ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO TUABIN GIÓ VÀ NGUỒN PIN MẶT TRỜI

ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO TUABIN GIÓ VÀ NGUỒN PIN MẶT TRỜI APPLYING OF POWER ELECTRONIC CONVERTERS IN GRID -CONNECTED CONTROL OF WIND TURBINE AND SOLAR CELL SOURCES Lê Kim Anh Xin AI Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa North China Electric Power University TÓM TẮT Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nguồn lượng gió nguồn pin mặt trời để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường Nối lưới tuabin gió nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử công suất có ưu điểm như: Hệ thống nối lưới chủ động nguồn nhiên liệu đầu vào, khả truyền lượng theo hướng Kết hợp với mạch lọc giảm sóng hài qua lưới loại trừ sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện Bài báo đưa kết mô điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử công suất, nhằm trì công suất phát tối đa hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống Từ khóa: Các biến đổi điện tử công suất, điều khiển nối lưới, lượng tái tạo ABSTRACT The research on using and exploiting effectively wind energy and solar cell sources to generate electricity is meaningful to reduce the climate change They also reduce dependence of power demand on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and causing environmental pollution Using power electronic converters for grid connecting of wind turbine and solar cell sources have some advantages such as active fuel input and capability of power transferring in both directions The combination of harmonic filter circuits to filter high order harmonics out of injecting to grid will have a significal effect on power quality improving The article gives the result of modulating grid-connected control of an integrated wind turbine and solar cell power system using power electronic converters to maintain maximum capacity of the systems with a disregard of connected power loads Key words: Power Electronic Converter, Grid-connected control, renewable energy Đặt vấn đề Ngày nay, với phát mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng Nguồn lượng tái tạo nói chung, nguồn lượng gió nguồn pin mặt trời nói riêng dạng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng gió nguồn pin mặt trời nước ta lớn Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn lượng gió nguồn pin mặt trời cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt khí (CO2) mục tiêu nghiên cứu nhiều quốc gia Bộ biến đổi trạng thái DC/DC tạo điện áp chiều (DC) điều chỉnh để cung cấp cho tải thay đổi, chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện dùng điều chỉnh hòa đồng cho máy phát điện tách máy phát điện khỏi lưới cần thiết Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch chiều trung gian, đồng thời đưa điện áp (AC) nối lưới Các biến đổi điện tử công suất giữ vai trò quan trọng hệ thống điều khiển lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) Hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió với nguồn pin mặt trời Các biến đổi điện tử công suất sử dụng biến đổi điện tử công suất, nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển linh hoạt nguồn lượng tái tạo Hệ thống điều khiển nối lưới nguồn điện phân tán (Distributed Energy Resources – DER) nói chung tuabin gió với nguồn pin mặt trời nói riêng Theo [1], tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous generator - PMSG) kết hợp với nguồn pin mặt trời (Photovoltaic cell) hệ thống bao gồm thành phần bản, hình Các biến đổi điện tử công suất thực nhiệm vụ sau: Tuabin gió qua máy phát điện cho điện áp (AC), qua chỉnh lưu (AC/DC) đưa điện áp chiều (DC) Pin mặt trời cho điện áp chiều (DC) Tất điện áp chiều (DC) qua nghịch lưu (DC/AC) đưa điện áp (AC) nối lưới Bức xạ P_pv Nhiệt độ Điện áp DC MPP Tải DC MPPT Tải AC Bộ biến đổi DC/DC Tốc độ gió Điện áp Tm Điện áp DC Rotor Điều kiện Không khí Tuabin gió Stator AC Bộ chỉnh lưu AC/DC Máy phát điện Bus DC Bộ nghịch lưu DC/AC Lưới điện Hình Điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử công suất 2.1 Bộ biến đổi trạng thái DC/DC Mục đích biến đổi trạng thái DC/DC tạo điện áp chiều (DC) điều chỉnh để cung cấp cho tải thay đổi, biến đổi trạng thái DC/DC giữ vai trò quan trọng hệ thống điều khiển lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) Để ổn định điện áp đầu cho biến đổi đòi hỏi điều khiển phải hoạt động cách tin cậy, điện áp đầu pin mặt trời không đủ lớn để cung cấp cho đầu vào nghịch lưu (DC/AC) Do ta phải sử dụng biến đổi trạng thái DC/DC để nâng điện áp đầu đạt yêu cầu Theo [2], biến đổi trạng thái DC/DC (Buck – Boots Converter) hình 2, với giản đồ xung đóng ngắt hình Ngắt Đóng U_in Ngắt Tải Đóng (a) D = 0.5 Hình Sơ đồ biến đổi DC/DC [2] (b) D < 0.5 (c) D > 0.5 Hình Giản đồ xung đóng ngắt biến đổi DC/DC [2] 2.1.1 Khi Switch trạng thái đóng Ta xét khoảng thời gian t = đến t = DT, điện áp cuôn dây L Ui Khi công suất cuộn dây L tính sau: Pin  T DT  U i I L dt  Ui T Với điều kiện dòng qua cuộn dây L số, công suất qua cuộn dây L viết lại sau: Pin DT  I L dt (1)  U iIL T DT  dt  U i I L D (2) 0 2.1.2 Khi Switch trạng thái ngắt Ta thấy lượng cuộn dây L bắt đầu xả ra, Diode bắt đầu dẫn điện áp cuộn dây L cung cấp cho tải U0 Khi ta có công suất tải: T DT T DT Pout  U I L (T  DT )  U I L (1  D ) (4) T Từ phương trình (2) (4) ta viết lại sau:  U I L dt (3) U0  D  (5)    Ui 1  D  Với điều kiện lý tưởng U0 IL số lúc công suất đầu viết lại sau: Điện áp sau qua biến đổi công suất tăng lên, nhờ điều khiển xung kích ta điều chỉnh điện áp mong muốn việc điều chỉnh D Pout   U L I L dt  0 2.2 Bộ chỉnh lưu nghịch lưu Việc nghiên cứu chỉnh lưu (AC/DC) nghịch lưu (DC/AC) điều chế theo phương pháp độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM) điều chế theo vectơ không gian (Space Vector Modulation) nhiều nhà khoa học quan 2.2.1 Mô hình toán học cho chỉnh lưu tâm nghiên cứu năm gần với ưu điểm vượt trội như: khả truyền lượng theo hướng, với góc điều khiển thay đổi được, dung lượng sóng hài thấp v.v Sơ đồ chỉnh lưu điều chế theo phương pháp độ rộng xung (PWM), hình Theo [3], để đạt mục tiêu điều khiển thành phần công suất phát vào lưới từ tuabin gió pin mặt trời v.v có nhiều phương pháp để điều khiển cho chỉnh lưu PWM phương pháp: VOC, DPC, VFVOC, VFDPC Dựa vào sơ đồ hình 4, ta xây dựng biểu thức điện áp chỉnh lưu PWM sau: Hình Sơ đồ dòng điện điện áp chỉnh lưu [3] di a  Ri a dt di L b  Ri b dt di L c  Ri c dt du dc C  id dt L  e a  ( S a u dc  u N ) di d  e d  Ri d  S d u dc   Li q dt di L q  e q  Ri q  S q u dc   Li d (7) dt 3S q du dc 3S d C  id  iq  i L dt 2 L  e b  ( S b u dc  u N ) (6)  e c  ( S c u dc  u N ) i L Biểu thức (6) chuyển sang hệ tọa độ dq viết lại sau: 2.2.2 Mô hình toán học cho nghịch lưu Theo [4], nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp môt chiều thành điện áp xoay chiều ba pha thay đổi tần số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt van, hình Hình Giản đồ xung đóng ngắt nghịch lưu [4] u t  u 10  u u t2  u Hình Sơ đồ nghịch lưu [4] Ta giả thiết tải pha đối xứng nên điện áp: ut1  ut  ut  (8) Gọi N điểm nút tải pha dạng hình (Y) Dựa vào sơ đồ hình 5, điện áp pha tải tính sau: 20  u u t  u 30  u Với u N  N N (9) NO u 10  u 20  u 30 (10) Thay biểu thức (10) vào biểu thức (9) ta có phương trình điện áp pha tải sau: u 10  u 20  u 30 u 20  u 30  u 10 (11)  u 30  u 10  u 20  u t1  u t2 u t3 Điện áp dây tải tính sau: u t 12  u 10  u 20 u t 23  u 20  u 30 u t 31  u 30  u 1O (12) Biên độ sóng hài bậc k: Ak * Tác hại sóng hài bậc cao đến nghịch lưu Biên độ sóng hài xác định dựa theo khai triển chuỗi Fourier điện áp ngõ sau:   ut  U tAV   ak sin( k x)   bk cos(k x) (13) k 1 k 1 ak   Với: bk   U tAV  t A k k  b k  (14) Thông thường dạng áp tải có tính chất hàm lẽ, đó: b k=0, Ak = ak Biên độ sóng hài Ut(1)m:  2 u t sin x dx (15) sin( k x ) dx Và biên độ sóng hài bậc k: 2 U t (k )m  Ak   u t cos( k x ) dx 2 a  U t ( ) m  A1  2 u Thành phần điện áp thứ tự không bỏ qua giả thiết tải đối xứng, nên điện áp thứ tự không không tạo dòng điện Tuy nhiên trường hợp có hai nghịch lưu nối song song với điểm nối trực tiếp phía xoay chiều chiều gây dòng điện thứ tự không chạy vòng xuất đường dẫn nó, ta bỏ qua dòng điện thứ tự không 2  u t sin( k x ) dx (16) 2  u dx t 2.2.3 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu nghịch lưu K   Vd*   K dp  di  id*  id  ed  Liq (17) S   Theo [5], giá trị đầu điện áp qua chỉnh lưu nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa độ dq xác định sau: K qi  *   iq  iq  eq  Lid (18) Vq*   K qp  S   PI theo (U)     PI theo (I) SV PWM PI theo (I) Hình Sơ đồ điều khiển cho mạch vòng dòng điện [5] Hình Điều khiển mạch vòng dòng điện [5] Mô hình tuabin gió pin mặt trời 3.1 Mô hình tuabin gió Theo [6], công suất tuabin gió tính theo biểu thức: Pm  C p ( ,  ) A v (19) Trong đó: Pm: Công suất đầu tuabin (W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi lượng (là tỷ số tốc độ đầu cánh λ góc cánh β); A: Tiết diện vòng quay cánh quạt (m2); ρ: Mật độ không khí, ρ = 1.255 (kg/m3) Từ biểu thức (19) ta thấy vận tốc gió yếu tố quan trọng công suất; công suất đầu tăng theo lũy thừa vận tốc Hình Đường cong biểu diễn mối quan hệ C p λ Đường tối ưu Hệ số biến đổi lượng Cp(λ, β) biểu thức (19) tính sau: 21 116 Cp (,  )  0.5176(  0.4  5)e i  0.0068 (20) i 035 với  (21)  i   08    Hình 10 Đường cong mối quan Pm tốc độ gió * Như ta biết tỷ số tốc độ đầu cánh R tuabin gió tốc độ là:   ω v tốc độ quay tuabin, R bán kính tuabin, v vận tốc gió Do mômen tuabin gió tính sau: Tm  Pm 3   R C p   (22) Mặt khác tuabin gió vận hành theo quy tắc điều khiển khác tùy thuộc vào tốc độ gió Đường cong biểu diễn mối quan Pm tốc độ gió, hình 10 Từ biểu thức (19), (20), (21), (22) Hình 11 Mô hình tuabin gió phân tích trên, mô hình tuabin gió xây dựng Matlab/Simulink với thông số đầu vào tốc độ gió, tốc độ máy phát điện thông số đầu mômen, hình 11 3.2 Mô hình máy phát điện (PMSG) Mô hình máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) có hai loại hệ trục tọa độ sử dụng: hệ tọa độ  gắn cố định với stator hệ tọa độ dq gọi hệ tọa độ tựa hướng từ thông rotor, hình 12 Theo [7], phương trình dòng điện điện áp PMSG biểu diển hệ tọa độ dq sau: L sq di sd 1  i sd   s i sq  u sd (23) dt Tsd L sd L sd disq dt  s p Lsd 1 (24) isd  isq  usq  s Lsq Tsq Lsq Lsq Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo vị trí đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo vị trí ngang cực;  p từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd, mM  Pc  p isq  i sd i sq ( L sd  L sq ) (25)   Để xây dựng mô hình PMSG matlab /simulink dựa vào biểu thức (23),(24),(25), hình 13 Tsq số thời gian Stator vị trí đỉnh cực Phương trình mômen tính sau: UA Tọa độ α θ ωs Tọa độ d Tọa độ β Tọa độ q UC UB Hình 12 Hệ trục tọa độ αβ dq Hình 13 Mô hình máy phát điện PMSG 3.3 Mô hình pin mặt trời (PV) Công suất pin (W) Dòng điện pin (A) * Theo quan điểm lượng điện tử, pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) coi nguồn dòng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V hình 14 Điện áp pin (V) Hình 14 Đặc tính làm việc pin mặt trời Hiệu suất pin mặt trời đạt giá trị lớn pin mặt trời cung cấp công suất cực đại Theo đặc tính phi tuyến hình 14 xảy P-V cực đại, tức P-V = Pmax thời điểm (Imax,Vmax) gọi điểm cực đại MPP (Maximum Point Power) Hệ bám điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Point Power Tracking) sử Hình 15 Sơ đồ tương đương pin mặt trời dụng để đảm bảo pin mặt trời luôn làm việc điểm MPP bất chấp tải nối vào pin * Dòng điện đầu pin theo [8] tính sau:   q(V  IRs    V  IRs  1   I  I ph  Is exp   KTc A    Rsh   (26)  Trong đó: q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k: số Boltzmann’s = 1.38 x10 -23J/K, Is: dòng điện bão hòa pin, Iph: dòng quang điện, Tc: nhiệt độ làm việc pin, Rsh : điện trở shunt, Rs : điện trở pin, A: hệ số lý tưởng Theo biểu thức (26) dòng quang điện phụ thuộc vào lượng mặt I ph  I sc  K I ( T c  T ref ) H (27)   Với: Isc: dòng ngắn mạch nhiệt độ 25 0C, KI: hệ số nhiệt độ dòng điện ngắn mạch, Tref: nhiệt độ bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), H: xạ mặt trời kW/m2 trời nhiệt độ làm việc pin đó:   V IRs    NpV   IRs   q N  N    N  I  NpIph  NpIs exp s p  1  s   kTc A Rsh            (29)   Ns Ở giá trị dòng điện bão hòa pin với nhiệt độ pin tính sau:  qE G ( T c  T ref  T I s  I RS ( c ) exp   (28) NpIph T ref  T ref T c kA  Trong đó: IRS: dòng bão hòa ngược bề mặt nhiệt độ xạ mặt trời, EG: lượng vùng cấp chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng công nghệ làm pin Mặt khác pin mặt trời có điện áp khoảng 0,6V, muốn có điện áp làm việc cao ta mắc nối tiếp pin, muốn có dòng điện lớn mắc song song, hình 16 Vậy dòng điện modul pin là: Hình 17 Mô hình pin mặt trời(PV) Hình18 Điều khiển bám điểm công suất cực đại NsRs/Rsh + NsRs/Rsh Np V - Hình16 Dòng điện modul pin Từ biểu thức (26), (27), (28), (29) phân tích trên, mô hình pin mặt trời xây dựng Matlab/Simulink với ngõ vào dòng điện, nhiệt độ Ngõ công suất điện áp pin, hình 17 * Phương pháp điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT): có nhiều kỹ thuật để điều khiển pin mặt trời bám điểm công suất cực đại Những kỹ thuật phân thành nhóm sau: kỹ thuật tìm kiếm kỹ thuật tìm kiếm dựa mô hình Ở kỹ thuật tìm kiếm dễ thực đòi hỏi số bước lớn hội tụ điểm cực đại (MPP) hội tụ nhanh điểm MPP với kỹ thuật tìm kiếm dựa mô hình Kỹ thuật đồi hỏi phải biết xác thông số pin mặt trời số đo nhiệt độ xạ mặt trời, hình 18 Mô Matlab – Simulink Hình 19 Điều khiền nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử công suất * Kết mô 1200 200 1000 150 800 100 600 400 50 200 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0 0.2 Hình 20 Điện áp DC biến đổi DC/DC (V) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 21 Điện áp DC chỉnh lưu (V) 500 400 200 0 -200 -400 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -500 Hình 22 Điện áp AC chỉnh lưu (V) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 23 Điện áp nghịch lưu (V) 350 50 300 40 Điện áp (V) 250 200 30 150 20 Dòng điện (A) 100 10 50 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 Hình 24.Công suất pin(W) 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 25 Dòng điện điện áp pin 14000 12000 12000 10000 Pmax_tuabin gió 10000 8000 8000 6000 6000 Đóng tải 4000 4000 Không tải 2000 2000 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 Hình 26 Công suất tuabin gió(W) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 27 Công suất tổng( tuabin gió+ pin)(W) 400 40 200 20 0 -20 -200 -40 -400 x 10 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 28.Điện áp ngõ Uabc(V) -60 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.18 0.2 Hình 29.Dòng điện ngõ Iabc(A) 0 -1 -2 -2 0.02 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Hình 30.Điện áp nối lưới Uabc(V) 0.18 0.2 -4 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Hình 31.Dòng điện nối lưới Iabc(A) Kết luận Điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời ứng dụng biến đổi điện tử công suất, kết hợp với giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT), phát huy đối đa công suất phát ra, đồng thời công suất pin mặt trời (PV) thu đạt giá trị cực đại Tại thời điểm t = 0.02s đóng tải, dòng điện điện áp đầu giá trị đặt hệ thống điều khiển làm việc trạng thái ổn định Mô hình nối lưới thông qua máy biến áp 400V/22kV đường dây tải điện Điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời ứng dụng biến đổi điện tử công suất nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn phân tán TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodriguez, 2011, Gird converters for Photovoltaic and Wind Power Systems, A John Wiley and sons, Ltd, Publication [2] Bengt Johansson, 2003, Improved Models for DC-DC Converters, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation Lund University [3] Haoran Bai, Fengxiang Wang, Junqiang Xing, 2007,Control Strategy of Combined PWM Rectifier/ Inverter for a High Speed Generator Power System, IEEE [4] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [5] Degang Yang, Liangbing Zhao, Runsheng Liu, 1999, Modeling and closed – loop cotroller design of three – phase high power factor Rectifier, power Electronics, 49 – 52 [6] Đặng Ngọc Huy, Lê Kim Anh, 2012, Nghiên cứu mô hình tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu nối lưới, Tạp san khoa học công nghệ, Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh, Số (10), 43-47 [7] Nguyễn Phùng Quang, 2006, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [8] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc Huy, 2012, Mô hình điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời, Tạp chí khoa học công nghệ, Đại Học Đà Nẵng, Số 11(60), 1-6 Tên tác giả: Lê Kim Anh, giảng viên Khoa điện – điện tử, Trường cao đẳng công nghiệp Tuy Hòa Tỉnh Phú Yên Hiện học tập trường Đại Học Điện Lực Hoa Bắc – Bắc Kinh Trung Quốc: North China Electric Power University Beinong Road,No2, Huilongquan Town Champing District, Beijing,102206 P.R.China P.R.China Phone number: (+0086)18210257055 Email:tdhlekimanh@gmail.com 102206 102206 or Zhuxinzhuang Dewai, Beijing, 102206, [...]...Tên tác giả: Lê Kim Anh, giảng viên Khoa điện – điện tử, Trường cao đẳng công nghiệp Tuy Hòa Tỉnh Phú Yên Hiện nay đang học tập tại trường Đại Học Điện Lực Hoa Bắc – Bắc Kinh Trung Quốc: North China Electric Power University Beinong Road,No2, Huilongquan Town Champing District, Beijing,102206 P.R.China 2 P.R.China Phone number: (+0086)18210257055 Email:tdhlekimanh@gmail.com