Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện bằng biến tần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - PHẠM TOÀN SINH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN BẰNG BIẾN TẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành:60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - PHẠM TOÀN SINH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN BẰNG BIẾN TẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành:60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 12 tháng 03 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) Họ tên TT Chức danh Hội đồng TS Nguyễn Hùng Chủ tịch TS Đoàn Thị Bằng Phản biện TS.Đinh Hoàng Bách Phản biện PGS.TS Ngơ Chí Kiên PGS.TS Trương Việt Anh Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày 20 tháng năm 2016 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Toàn Sinh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1976 Nơi sinh: Thái Nguyên Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1441830021 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN BẰNG BIẾN TẦN II- Nhiệm vụ nội dung: Tìm hiểu lượng mặt trời giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo nguyên lý pin quang điện (PV); loại hệ thống PV nối lưới độc lập - Các thuật tốn dị tìm điểm cơng suất cực đại cho hệ thống PV Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần đa bậc lai - Lập giải thuật mơ mơ hình nghịch lưu lai bậc đề xuất phần mềm MATLAB - Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới biến tần lai Mơ hình hóa mô hệ thống kết nối PV với lưới biến tần lai - Đánh giá kết mô III- Ngày giao nhiệm vụ: 20/08/2015 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 11/01/2016 V- Cán hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS Nguyễn Thanh Phương KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) ii LỜI CÁM ƠN Xin cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghệ thành phố Hồ Chí Minh, PGS TS Nguyễn Thanh Phương, Q Thầy Cơ tận tình truyền đạt kiến thức tạo điều kiện tốt cho lớp 14SMD11 cá nhân tơi suốt học trình nghiên cứu học tập thach sỹ trường Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS TS Nguyễn Thanh Phương, người nhiệt tình hướng dẫn bảo cho tơi suốt thời gian thực nghiên cứu Cám ơn tất bạn khóa học, người chung chí hướng đường tri thức để tất có kết ngày hơm Cảm ơn gia đình người thân động viên, hỗ trợ suốt thời gian thực nghiên cứu Xin trân trọng chân thành gửi lại tất nơi lòng tri ân sâu sắc Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2016 Người thực luận văn iii TÓM TẮT I Mục đích nghiên cứu, khách thể đối tượng nghiên cứu đề tài : Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới biến tần lai, cụ thể: pin mặt trời thuật toán MPPT; biến tần lai kỹ thuật điều chế; thuật toán điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới II Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài : Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu lượng mặt trời giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo nguyên lý pin quang điện (PV); loại hệ thống PV nối lưới độc lập - Các thuật tốn dị tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV - Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần đa bậc lai - Lập giải thuật mơ mơ hình nghịch lưu lai bậc đề xuất phần mềm MATLAB - Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới biến tần lai - Mơ hình hóa mơ hệ thống kết nối PV với lưới biến tần lai - Đánh giá kết mô - Kết luận Giới hạn đề tài Do giới hạn thời gian điều kiện nghiên cứu nên đề tài giới hạn vấn đề sau: Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới biến tần lai thơng qua mơ hình hóa mơ dùng chương trình Matlab/Simulink mà khơng đề cập việc tính tốn thiết kế panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực iv ABSTRACT I The purposes, the objects and the subjects of the research study This study is aimed at researching the control system connected to the solar cellsby the grid usingthe hybrid inverter, namely: the solar cells and MPPT algorithms, thehybrid inverter and modulation techniques,and the algorithmscontrolling the systems connected to PV by the grid II The procedures and the limitations of the research study: the procedures of the research study -study the solar powerand the effectively used solutions, the structures and principles of photovoltaic (PV), the types of the PV systemsconnectedto the gridsand independent PV systems -study the detection algorithmssearching for the maximum power point of PV systems - researchthe multi-level inverter theory, the hybrid inverter and PWM control techniques for multi-level hybrid inverter - establishthe algorithms and simulate models ofthe 5-stephybrid inverter recommended by MATLAB software - study the controlled algorithms of the system connected to PV by hybrid inverter - model and simulate the system connected to PV by hybrid inverter - evaluate the results of simulation - conclusion the limitations of the research study Due to the limited time and research conditions, the research study only focusses on studying the control of the system connected to PV by the grid using the hybrid inverter through modelling and simulating by using Matlab/Simulink tools The calculation of the design of PV panel and the real model design are not conducted in this study with the limitations of the above mentioned conditions v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANG MỤC VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG x DANG MỤC CÁC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH xi Chương TỔNG QUAN .1 1.1 Tổng quan hướng nghiên cứu .1 1.2 Tính cấp thiết đề tài, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể đối tượng nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Năng lượng mặt trời .7 2.2 Pin quang điện (PV) .8 2.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động PV 2.2.2 Mạch tương đương PV 10 2.2.3 Mạch PV có tính đến tổn hao 10 2.2.4 Tấm PV 12 2.2.5 Hệ thống dãy PV 13 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV 15 2.3.1 Cường độ chiếu sáng 15 2.3.2 Góc chiếu sáng 16 2.3.3 Hiệu ứng bóng mờ 17 2.3.4 Hiệu ứng nhiệt độ .19 2.3.5 Hiệu ứng thời tiết 20 2.3.6 Hòa hợp tải điện 21 2.3.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời 22 2.4 Điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPP) điều khiển MPPT 22 2.4.1 Điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPP) .22 vi 2.4.2 Bộ điều khiển MPPT 25 2.4.3 Bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost converter) 25 2.4.4 Các thuật tốn dị tìm điểm công suất cực đại (MPPT) 28 2.4.4.1 Xáo trộn theo dõi P&O 28 2.4.4.2 Tăng tổng dẫn INC .32 2.4.4.3 Thuật toán điều khiển điện áp hở mạch .34 2.5 Các dạng cấu trúc chuyển đổi PV 35 2.5.1 Bộ chuyển đổi tập trung (Centralized Converters) 35 2.5.2 Bộ chuyển đổi theo dãy (String Converters) 35 2.5.3 Bộ chuyển đổi đa dãy (Multi-String Converters) 36 2.5.4 Bộ chuyển theo modul AC (AC-Module Converters) .36 2.6 Các dạng pin quang điện nối lưới hoạt động độc lập 36 2.6.1 Dạng nối lưới 36 2.6.1.1 Hệ thống pin quang điện khơng có ắc qui 37 2.6.1.2 Hệ thống pin quang điện có ắc qui 38 2.6.2 Dạng độc lập .38 2.6.2.1 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống bơm nước 39 2.6.2.2 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng 39 2.6.2.3 Hệ thống PV khu xa dân cư 40 CHƯƠNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN .41 3.1 Khái quát nghịch lưu áp đa bậc 41 3.1.1 Khái niệm .41 3.1.2 Phân loại 41 3.2 Các cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc 42 3.2.1 Cấu trúc nghịch lưu áp chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped multilevel inverter –NPC) 42 3.2.2 Cấu trúc tụ điện thay đổi (Flying capacitor inverter) .44 3.2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) 45 3.2.4 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai (Hybrid Multilevel Inverter) 46 3.2.5 Nhận xét 47 84 Bảng 4.4: Các thông số mạch Buck-Boost converter Thông số Ký hiệu Độ lớn Đơn vị Cuộn cảm L mH Tụ điện C 1000 F Tần số f 20 kHz Ta tiến hành mô mạch Buck-Boost converter cấp nguồn từ PV array qua thuật toán P & O cải tiến Nguồn vào gồm môđun PV EC-110-G mắc nối tiếp, thông số môđun: Pp = 110W, Vp = 17V, Ip = 6.47A, Voc = 21.3V, Isc = 7.48A, n = 72cell ứng với độ chiếu sáng thay đổi từ 200  1000  200W/m2 Hình 4.12: Mơ hình mơ mạch Buck-Boost converter cấp nguồn từ PV array qua thuật toán MPPT 85 Kết mơ trình bày hình 4.13 Hình 4.13: Kết mơ mạch Buck-Boost converter hình 4.12 - Nhận xét: Từ kết mơ hình 4.13 thấy: điện áp ngõ PV array (cũng áp ngõ vào mạch Buck-Boost converter) thay đổi theo chiếu độ điện áp ngõ mạch Buck-Boost converter giữ ổn định nhờ thay đổi tỉ số đóng cắt D 4.2.3 Khối 5-level Hybrid Inverter - Khối Hybrid Inverter có chức biến đổi điện áp DC cấp từ hệ PV thông qua khối Buck-Boost converter thành áp AC để bơm vào lưới cấp cho tải cục cần Sơ đồ chi tiết bên khối mơ tả hình 4.15 - Phần mô đánh giá khả ứng dụng BNL thực chương nên khối tác giả không thực mô lại 86 a) b) Hình 4.14: Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu lai bậc đề xuất a) BNL bậc NPC ; b) BNL bậc thông thường 4.2.4 Khối máy biến áp lưới - Khối máy biến áp thông số chọn hình 4.15 87 Hình 4.15: Các thơng số mơ hình khối máy biến áp Hình 4.16: Các thơng số mơ hình khối lưới ba pha 88 4.2.5 Các khối chuyển đổi tín hiệu * Khối chuyển tín hiệu dòng lưới ba pha Iabc sang hệ trục - - Chương trình hàm Matlab viết cho khối chuyển trục Iabc  I sau: function y = converseI(z) ia = z(1); ib = z(2); ic = z(3); c = [ia;ib;ic]; a = sqrt (2/3); b = [1/2 1/2 1/2;1 -1/2 -1/2;0 sqrt(3)/2 -sqrt(3)/2]; [y] = a*b*c ; % [Io;Ialfa;Ibeta] * Khối chuyển tín hiệu dịng hệ trục - sang hệ trục d-q sau: * Khối vịng khóa pha PLL: * Khối chuyển tín hiệu áp hệ trục d-q sang hệ trục - sau: 89 * Khối chuyển tín hiệu áp hệ trục - sang hệ trục abc để làm áp điều chế cho nghịch lưu sau: * Khối điều chế so sánh sóng mang để điều khiển nghịch lưu sau: Sơ đồ chi tiết bên khối xung kích (Trigger pulses) chương trình hàm Matlab điều khiển cổng (switch) nghịch lưu trình bày phần 3.6 chương 4.3 Mơ hình hệ thống điều khiển hồn chỉnh Sau mơ hình hóa khối cho hệ thống, ta mơ hình hệ thống điều khiển hồn chỉnh hình 4.17 90 Continuous powergui + v carrier Usm Carrier wave [Ura] V4 Mux + v - Va Iabc G1 Ura G1 A1+ A i + G2 Urb A1 A2 B1+ B2+ B1 G2 +Vd Trigger pulses C2+ C1 C2 A I4 + i - B I5 B2 C1+ Goto2 i + - + C i - Three-phase Grid I6 I3 C From7 i - + +Vd Urc [Iabc] A2+ I2 B From6 [Urc] Igabc Vab I1 From5 [Urb] Mux V1 i + - N Mux + v - 3-Phase Transformer N Vabc3 V3 U Freq + v - -Vd V2 -Vd V Mux +2Vd V5 +2Vd -2Vd -2Vd Vabc (pu) wt [Sin] + v - Sin_Cos Goto Discrete 3-phase PLL Goto1 [Cos] W Hybrid Inverter 300 PI Constant Discrete PI Controller2 PV Source + v - [Iabc] Ia I0 From2 [Iabc] Ib Ialf a From3 [Iabc] Ic Ibeta V7 PI Vra f(u) f(u) From4 ConverseIalfa-Ibeta Ud_ref Id_ref Mux Fcn [Sin] From [Cos] From1 Iq f(u) Discrete PI Controller Id Valf a Fcn2 Uq_ref [Ura] Goto3 Vrb Mux [Urb] Goto4 PI [Sin] f(u) Constant1 Discrete PI Controller1 From8 [Cos] Fcn3 Vbeta Vrc ConverseUalfa-Ubeta [Urc] Goto5 From9 Fcn1 Hình 4.17: Mơ hình hệ thống điều khiển hồn chỉnh 4.4 Mơ hệ thống kết nối PV với lưới điện biến tần lai Các thơng số cho việc mơ từ mơ hình đưa hình 4.17 mơ tả bảng 4.5 Bảng 4.5: Các thơng số cho việc mơ mơ hình đưa Khối Thơng số Công suất MPP (Pp) Điện áp MPP (Vp) Module PV Giá trị 110W 17V Dòng điện MPP (Ip) 6,47A Điện áp hở mạch (VOC) 21,3V Dòng điện ngắn mạch (ISC) 7,48A 91 Số cell module Tổng công suất nguồn Vd, nguồn gồm module mắc PV array 72 2,2kW x 550W nối tiếp nguồn 2Vd, nguồn gồm 10 module 1100W mắc nối tiếp Công suất 20kVA 3-phase Điện áp dây sơ cấp (rms) 220V Transformer Điện áp dây thứ cấp (rms) 380V Tần số 50Hz 3-phase Grid Điện áp dây (rms) / Tần số 380V/ 50Hz 3-phase Load Điện trở / cuộn dây 10/100mH Carrier wave Tần số Kết mơ thu sau: Hình 4.18: Dạng sóng áp điều khiển Hình 4.19: Dạng sóng sóng mang 6kHz 6kHz 92 Hình 4.20: Dạng sóng áp pha ngõ nghịch lưu Hình 4.21: Dạng sóng dịng điện ngõ nghịch lưu Hình 4.22: Dạng sóng điện áp dây điểm kết nối chung (PCC) Hình 4.23: Dạng sóng dịng điện ba pha PCC 93 Hình 4.24: Dạng sóng dịng điện PCC với trường hợp lưới bị điện (0.040.06s) Hình 4.25: Dạng sóng dịng điện ba pha PCC Hình 4.26: Dạng sóng áp pha A hệ thống phát lưới đồng 94 Hình 4.27: Phổ hài dịng điện pha A điểm kết nối chung Hình 4.28: Tỉ lệ dòng hài bậc đến bậc 10 điểm kết nối chung 95 Hình 4.29: Phổ hài điện áp pha A điểm kết nối chung 4.5 Nhận xét đánh giá kết mô Từ mơ hình mơ phần 4.4, ta tiến hành phân tích phổ sóng hài dịng áp điểm kết nối chung Kết hình 4.27, 4.28 4.29 Từ kết mơ phân tích phổ sóng hài, ta rút số nhận xét sau: - Dòng điện bơm vào lưới có độ méo dạng thấp, THDI = 0.33% (hình 4.27), nhỏ nhiều so với cấu trúc đưa báo khảo sát chương 1: [1] (THDI = 7.5%), [2] (THDI = 1.85%), [3] (THDI = 2.5%) - Tổng dòng hài từ bậc đến bậc 10 điểm kết nối chung 0.46% (hình 4.28), so với giới hạn tiêu chuẩn IEC61727, IEEE1547 [4] 4% - Tỉ lệ dòng DC bơm vào lưới khơng (hình 4.28) - Điện áp phát từ hệ thống lưới đồng biên độ, góc pha tần số (hình 4.26) 96 - Khi lưới bị cố điện, nghịch lưu ngừng cấp điện cho lưới vòng 0.007s Khi lưới có điện trở lại, sau khoảng 0.01s nghịch lưu tiếp tục bơm dịng vào lưới (hình 4.24 4.25)  So sánh thông số mô (sự đồng bộ, số THD, tỉ lệ bơm dòng DC vào lưới, tổng dòng hài bậc đến bậc 10, v.v.) thu với tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV theo tiêu chuẩn IEC61727, IEEE1547 bảng 4.1 cấu trúc cho hệ thống nối lưới PV [4], khẳng định cấu trúc nghịch lưu lai bậc đưa thích hợp cho việc điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới 97 CHƯƠNG KẾT LUẬN Luận văn giới thiệu phần mô hệ thống kết nối PV với lưới điện biến tần lai bậc Ở luận văn này, kết mô cho thấy: - Bộ biến tần lai bậc có nhiều ưu điểm hịa lưới : Từ kết phân tích sóng hài cấu trúc nghịch lưu lai bậc đề xuất, ta nhận thấy chất lượng dòng áp ngõ đạt giá trị tốt, cụ thể sau: + THD dịng tải 0,17% (hình 3.35) + Tổng tỉ lệ bậc hài đến 10 dòng điện ngõ 0,31% (hình 3.36) + THD áp tải 16,64% (hình 3.37) So sánh giá trị với giới hạn THD tiêu chuẩn IEC1727, IEEE1547 cấu trúc cho nghịch lưu nối lưới PV [4], khẳng định nghịch lưu lai bậc đưa thích hợp cho hệ thống điều khiển kết nối PV với lưới điện áp dụng đề tài Điện áp phát từ hệ thống lưới đồng biên độ, góc pha tần số - Tỉ lệ dịng DC bơm vào lưới khơng - Cấu trúc nghịch lưu lai bậc đưa thích hợp cho việc điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Malinowski, M.P Kaźmierkowski, S Hansen, F Blaabjerg, G D Marques, “Virtual flux based Direct Power Control of three-phase PWM rectifier’’, IEEE Trans on Ind Applications, vol 37, no 4, pp 1019-1027, Jul/Aug 2001 [2] J.Lamterkati, M.Khafallah, L.Ouboubker, “A New DPC for Three-phase PWM rectifier with unity power factor operation’’, vol.3, Issue 4, April 2014 [3] T Noguchi, H Tomiki, S Kondo, I Takahashi, “ irect Power Control of PWM converter without power-source voltage sensors’’, IEEE Trans on Ind Applications, vol 34, no 3, pp 473-479, May/June 1998 [4] M.Prakash, M.S Jayakumar, S.Ajayan, “Control of Three-Phase PWM Rectifiers Using a Single DC Current Sensor’’, ISSN: 2249 – 8958, Volume-2, Issue-2, December 2012 [5] S Begag, N Belhaouchet and L Rahmani,“ Three-Phase PWM Rectifier with Constant Switching Frequency’’, Special Issue N° 01 : November 2009 [6] Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng, “Mô Điện tử công suất Matlad-Simulink’’, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh – 2011 [7] TS Nguyễn Văn Nhờ, “ Điện Tử Công Suất ’’, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp.Hồ Chí Minh – 2003