Thiết kế bộ nghịch lưu đa mức ứng dụng cho pin mặt trời nối lưới

Tài liệu hướng dẫn phương pháp thiết kế một bộ nghịch lưu đa mức theo phương pháp nối tầng ứng dụng cho pin mặt trời nối lưới nhằm tối ưu năng lượng mặt trời chuyển hóa thành điện năng. Trong đó, thuật toán tìm công suất cực đại MPPT được sử dụng để tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất trên đường đặc tính của pin mặt trời. Để nâng cao chất lượng điện năng đưa vào lưới, các bộ điều khiển điện áp PI, bộ điều khiển dòng điện PR, vòng khóa pha PLL đã được sử dụng. Thuật toán và các bộ điều khiển được mô phỏng bằng phần mềm Matlab. Một số bộ điều khiển điện áp và dòng điện đã được kiểm nghiệm thực tế.

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ i

DANH SÁCH BẢNG BIỂU iv

DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT v

LỜI NÓI ĐẦU 1

1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 3

1.1 Tiềm năng và các ứng dụng của năng lượng mặt trời 3

1.1.1 Tiềm năng của năng lượng mặt trời 3

1.1.2 Các ứng dụng năng lượng mặt trời 4

1.2 Pin mặt trời 5

1.2.1 Cấu tạo 5

1.2.2 Mô hình toán học 5

1.3 Hệ thống pin mặt trời nối lưới 7

1.3.1 Mô hình hệ thống pin mặt trời nối lưới 7

1.3.2 Vấn đề đặt ra 8

1.3.3 Giải pháp hiện nay 9

1.4 Tiêu chuẩn cho hệ pin mặt trời nối lưới 11

1.4.1 Các tiêu chuẩn quốc tế 11

1.4.2 Đáp ứng các điều kiện lưới bất thường 11

1.4.3 Chất lượng điện năng 12

2 NGHỊCH LƯU 7 MỨC ĐIỆN ÁP MỘT PHA 14

2.1 Cấu trúc của bộ nghịch lưu 7 mức điện áp một pha 14

2.2 Phương pháp phát xung 16

2.2.1 Điều chế xung cho mỗi cầu 16

2.2.2 Điều chế sóng mang 17

2.3 Mạch điện tương đương trong sơ đồ nối lưới 20

2.4 Tính toán mạch lực 21

2.4.1 Tính chọn van 22

2.4.2 Tính chọn L, C 23

2.5 Ưu, nhược điểm của nghịch lưu đa mức 24

3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 26

3.1 Cấu trúc điều khiển 26

3.2 Thuật toán MPPT 27

3.3 Bộ điều khiển dòng điện 30

3.3.1 Bộ điều khiển cộng hưởng PR 30

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển cộng hưởng PR cho vòng dòng điện 32

3.4 Bộ điều khiển điện áp 35

3.4.1 Bộ điều khiển điện áp tổng 35

3.4.2 Hai bộ điều khiển điện áp thành phần 38

3.5 Vòng khóa pha PLL 41

3.5.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động: 42

3.5.2 Khối tạo điện áp β ảo 42

3.5.3 Khối vòng khóa pha 43

4 MÔ PHỎNG 47

4.1 Tham số của hệ thống 47

4.2 Trình tự mô phỏng 47

4.3 Kết quả mô phỏng 49

4.3.1 Trường hợp lưới điện không thay đổi 49

4.3.2 Trường hợp lưới điện thay đổi 53

5 THỰC NGHIỆM 55

5.1 Cấu trúc điều khiển thực nghiệm 55

5.2 Cấu trúc phần cứng 55

5.2.1 Mạch lực nghịch lưu 7 mức điện áp 57

5.2.2 Mạch driver 58

5.2.3 Mạch đo 60

5.2.4 Vi điều khiển 63

5.3 Gián đoạn bộ điều khiển và số hóa – chuẩn hóa tín hiệu 64

5.3.1 Gián đoạn cấu trúc điều khiển 65

5.3.2 Số hóa tín hiệu, DSP dấu phẩy tĩnh 68

5.4 Xây dựng chương trình bằng Matlab 70

5.5 Kết quả thực nghiệm 71

5.5.1 Vòng hở 72

5.5.2 Vòng kín nối tải độc lập 76

5.5.3 Vòng kín nối lưới 80 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Pin mặt trời KC200GT của hãng Kyocera 3

Hình 1.2 - Cánh đồng pin mặt trời ở Đức 3

Hình 1.3 - Mạch điện tương đương pin mặt trời 6

Hình 1.4 - Đường đặc tính u-i theo cường độ bức xạ và theo nhiệt độ của tấm pin KC200GT 7

Hình 1.5 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới 7

Hình 1.6 - Đường đặc tính p-u của 3 tấm pin năng lượng mặt trời dưới điều kiện hoạt động khác nhau 9

Hình 1.7 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu truyền thống 10

Hình 1.8 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu đa mức 10

Hình 2.1 - Cấu trúc nghịch lưu 7 mức điện áp một pha 14

Hình 2.2 - Dạng điện áp đầu ra của nghịch lưu đa mức 15

Hình 2.3 – Dạng sóng và điện áp theo phương pháp điều chế đơn cực 16

Hình 2.4 - Sóng mang dạng PD 18

Hình 2.5 - Sóng mang dạng APOD 18

Hình 2.6 - Sóng mang dạng POD 19

Hình 2.7 - Điều chế sóng mang theo phương pháp dịch pha 20

Hình 2.8 - Mạch điện tương đương của bộ nghịch lưu 7 mức một pha nối lưới 20

Hình 3.1 - Cấu trúc điều khiển hệ thống tổng thể 26

Hình 3.2 - Vị trí thuật toán MPPT (màu xanh) trong cấu trúc điều khiển tổng thể 27

Hình 3.3 - Minh họa phương pháp INC trên đường đặc tính p-u 29

Hình 3.4 - Thuật toán MPPT dựa vào phương pháp INC 29

Hình 3.5 - Vị trí của bộ điều khiển dòng điện (màu xanh) trong cấu trúc điều khiển tổng thể 30

Hình 3.6 - Đồ thị Bode của bộ điều khiển cộng hưởng với KPh=5, KIh=2000 32

Hình 3.7 - Cấu trúc bộ điều khiển PR 32

Hình 3.8 - Đồ thị biên-pha hệ kín vòng điều khiển dòng điện 33

Hình 3.9 - Đáp ứng bước nhảy hệ kín vòng điều khiển dòng điện 34

Hình 3.10 - Vị trí của bộ điều khiển điện áp tổng (màu xanh) trong cấu trúc điều khiển tồng thể 35

Hình 3.11 - Đồ thị biên - pha hệ kín mạch vòng điện áp tổng 37

Hình 3.12 - Đáp ứng bước nhảy của hệ kín mạch vòng điện áp tổng 38

Hình 3.13 - Vị trí hai bộ điều khiển điện áp thành phần màu xanh trong cấu trúc điều khiển tổng thể 38

Hình 3.14 - Đồ thị biên - pha hệ kín mạch vòng điện áp thành phần 40

Hình 3.15 - Đáp ứng bước nhảy của hệ kín mạch vòng điện áp thành phần 41

Hình 3.16 - Vị trí khối PLL (màu xanh) trong sơ đồ cấu trúc tổng thể 41

Hình 3.17 - Cấu trúc vòng khóa pha một pha 42

Hình 3.18 - Cấu trúc khối tạo điện áp β ảo 42

Hình 3.19 - Cấu trúc vòng khóa pha PLL 43

Hình 3.20 - Phân tích thành phần vector điện áp lưới 44

Hình 3.21 - Cấu trúc vòng khóa pha thu gọn 44

Hình 3.22 - Sơ đồ tuyến tính hóa mạch vòng khóa pha 44

Hình 3.23 - Đáp ứng tần số hệ kín khối vòng khóa pha (PLL) 45

Hình 3.24 - Đáp ứng bước nhảy của vòng kín PLL 46

Hình 4.1 – Trình tự mô phỏng 48

Hình 4.2 - Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu đa mức 49

Hình 4.3 - Công suất của các chuỗi pin mặt trời 49

Hình 4.4 - Dòng điện đầu ra của các chuỗi pin mặt trời 50

Hình 4.5 - Điện áp đặt sau thuật toán MPPT trên mỗi chuỗi pin 51

Hình 4.6 - Điện áp đầu vào nghịch lưu trên 3 cầu 51

Hình 4.7 - Dòng điện (đường màu xanh, 10A/div) và điện áp lưới (đường màu đỏ, 100V/div) trong khoảng thời gian 1.2s đến 1.4s 52

Hình 4.8 - Phân tích phổ dòng điện trong khoảng thời gian 1.2s đến 1.4s 52

Hình 4.9 - Dòng điện (đường màu xanh, 10A/div) và điện áp lưới (đường màu đỏ, 100V/div) trong khoảng thời gian 0.9s đến 1.1s 53

Hình 4.10 - Dòng điện (đường màu xanh, 10A/div) và điện áp lưới (đường màu đỏ, 100V/div) trong khoảng thời gian 1.4s đến 1.6s 54

Hình 4.11 - Công suất của các chuỗi pin mặt trời trong trường hợp lưới điện thay đổi 54

Hình 5.1 - Cấu trúc điều khiển thực nghiệm 55

Hình 5.2 - Cấu trúc phần cứng 56

Hình 5.3 – Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 57

Hình 5.4 - Sơ đồ kết nối mạch lực 57

Hình 5.5 - Sơ đồ kết nối chân tiêu biểu của IR2103 59

Hình 5.6 - Sơ đồ tín hiệu đầu vào và đầu ra 59

Hình 5.7 - Sơ đồ nguyên lý mạch driver 59

Hình 5.8 - Mạch driver và mạch lực của bộ nghịch lưu 7 mức điện áp một pha 60

Hình 5.9 - Sơ đồ khối mạch đo điệp áp lưới 61

Hình 5.10 - Sơ đồ nguyên lý khối đo điện áp lưới 61

Hình 5.11 - Sơ đồ khối mạch đo dòng điện phía lưới 62

Hình 5.12 - Đường đặc tính ACS712 62

Hình 5.13 - Sơ đồ nguyên lý khối đo dòng 62

Hình 5.14 - Mạch đo thực tế 63

Hình 5.15 - Mạch vi điều khiển 64

Hình 5.16 - Hệ thống điều khiển số 64

Hình 5.17 - Hệ thống thực nghiệm 72

Hình 5.18 - Cấu trúc thực nghiệm vòng hở nghịch lưu 7 mức điện áp một pha 73

Hình 5.19 - Khối điều chế độ rộng xung – PWM 73

Hình 5.20 - Xung điều khiển van S1 (sau driver) 74

Hình 5.21 – Kết quả đo giữa hai xung điều khiển của 2 van S1 và S3 74

Hình 5.22 - Điện áp đầu ra cầu H1 75

Hình 5.23 - Điện áp đầu ra của bộ NLĐM (3 cầu H) 75

Hình 5.24 - Cấu trúc thực nghiệm vòng kín nghịch lưu bảy mức điện áp một pha với tải độc lập 77

Hình 5.25 - Khối chuyển đổi tương tự - số - ADC 77

Hình 5.26 - Bộ điều khiển dòng điện 78

Hình 5.27 - Bộ điều khiển dòng điện cộng hưởng đã được gián đoạn hóa 78

Hình 5.28 - Dòng điện tải (màu xanh) và điện áp phía lưới (màu vàng) 80

Hình 5.29 - Cấu trúc thực nghiệm hệ thống vòng kín nghịch lưu điện áp một pha nối lưới 81

Hình 5.30 - Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện cấu trúc nghịch lưu một pha nối lưới 81 Hình 5.31 - Dòng điện phía lưới (màu vàng) và điện áp lưới (màu xanh) trong trường hợp sử dụng một cầu để nối lưới 82

Hình 5.32 - Dòng điện và điện áp phía lưới trong trường hợp sử dụng 3 cầu để nối lưới 83

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 - Giới hạn sóng hài điện áp lưới EN 50160 11

Bảng 1-2 - Thời gian ngắt kết nối đối với sự biến thiên điện áp 12

Bảng 1-3 - Thời gian ngắt kết nối đối với sự biến thiên tần số 12

Bảng 1-4 - Giới hạn sử dụng dòng bơm DC 12

Bảng 1-5 - Sóng hài dòng lớn nhất IEEE 1547 và IEC 61727 13

Bảng 2-1 - Tổ hợp logic các van để tạo ra các mức điện áp khác nhau 15

Bảng 2-2 - Thông số của pin KC200GT 21

Bảng 4-1 – Tham số của hệ thống 47

Bảng 4-2 - Thông số của các bộ điều khiển 47

Bảng 5-1 - Một vài thông số điện của IR2103 58

Bảng 5-2 - Bảng điện áp các mức logic đầu vào, đầu ra của IR2103 59

Bảng 5-3 - Độ phân giải và miền biểu diễn của các định dạng số thực 70

Bảng 5-4 - Các tham số hệ thống phần cứng trong trường hợp nối tải độc lập 76

Bảng 5-5 - Các tham số điều khiển của hệ thống trong trường hợp nối tải độc lập 76

Bảng 5-6 - Các tham số hệ thống phần cứng trong trường hợp nối lưới 80

Bảng 5-7 - Các tham số điều khiển của hệ thống 80

DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu:

C F Giá trị tụ đầu vào mỗi cầu H bộ nghịch lưu đa mức

ipvi A Dòng điện đầu ra của chuỗi pin mặt trời thứ i

upvi V Điện áp đầu ra của chuỗi pin mặt trời thứ i

udci V Điện áp đầu vào cầu H thứ i bộ nghịch lưu đa mức udc V Điện áp đầu vào các cầu H trong trường hợp bằng

nhau của bộ nghịch lưu đa mức udcsum V Điện áp tổng các đầu vào bộ nghịch lưu đa mức

uHi V Điện áp đầu ra cầu thứ i bộ nghịch lưu đa mức

uH V Điện áp tổng đầu ra của bộ nghịch lưu đa mức

Thuật toán tìm điểm công suất cực đại

MPP Maximum Power Point Điểm công suất cực đại

INC Incremental Conductance Phương pháp điện dẫn gia tăng

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng điện đóng một vài trò quan trọng trong quá trình phát triển của bất kỳ quốc gia nào, trong đó có cả Việt Nam Hiện nay, nguồn sản xuất điện năng phụ thuộc phần lớn vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, khí đốt Trước sự phát triển kinh tế hiện nay, nhu cầu sử dụng điện của các nước trên thế giới ngày càng tăng dẫn đến các nguồn nhiên liệu càng trở nên cạn kiệt Mặt khác, các nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng gây ảnh hướng lớn đến môi trường như làm tăng nồng độ CO2, gây hiệu ứng nhà kính Trước tình trạng đó, các nguồn năng lượng tái tạo đang dần được khai thác để sử dụng như: năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng mặt trời, Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời nhận được sự quan tâm lớn của các quốc gia trên thế giới

Việt Nam là một quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa, có đường bờ biển dài Năng lượng mặt trời ở Việt Nam vô cùng dồi dào Vì vậy, trước sự phát triển bền vững của đất nước, nguồn năng lượng trời sẽ được khai thác mạnh mẽ trong một tương lai gần ở Việt Nam

Pin mặt trời là một trong những ứng dụng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng Để điện năng tạo ra từ các tấm pin mặt trời có thể được đưa vào sử dụng thì cần phải có những bộ biến đổi phù hợp Đặc biệt, để hòa điện năng này vào lưới điện thì các bộ biến đổi cần phải được thiết kế với những yêu cầu khắt khe Ngoài ra, vì hiệu suất năng lượng mặt trời còn thấp nên bộ biến đổi điện tử công suất còn phải có nhiệm

vụ tối ưu năng lượng nhận được từ các tấm pin mặt trời Có thể nói, việc thiết kế các

bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho lĩnh vực pin mặt trời, đặc biệt là pin mặt trời nối lưới, là rất khó khăn nhưng lại có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của pin mặt trời nói riêng và năng lượng mặt trời nói chung

Vì những lí do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu 7 mức điện áp một pha cho hệ pin mặt trời nối lưới”

Nội dung đồ án được trình bày trong năm chương:

 Chương 1: Tổng quan về pin mặt trời nối lưới Chương này sẽ sơ lược lại vai

trò năng lượng mặt trời và các ứng dụng của nó, phân tích những vấn đề của pin mặt trời nối lưới và đề ra giải pháp hiệu quả

 Chương 2: Nghịch lưu 7 mức điện áp một pha Chương này sẽ phân tích kỹ

càng hệ thống nghịch lưu 7 mức điện áp một pha – bộ biến đổi điện tử công suất

quan trọng trong ứng dụng pin mặt trời nối lưới

 Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển Đưa ra cấu trúc điều khiển phù hợp để có

thể tối ưu được năng lượng điện tạo ra từ các tấm pin mặt trời, biến đổi điện

năng tạo từ pin mặt trời thành dạng điện năng phù hợp để có thể hòa vào lưới

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, dù rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt

thời gian và kiến thức nên tác giả không thể tránh khỏi các thiếu sót Tác giả mong

muốn nhận được các ý kiến, đóng góp của các thầy cô để tác giả hoàn thiện hơn về

những nghiên cứu của bản thân Qua đây, tác giả đặc biệt gửi lời cảm ơn đến TS.Vũ

Hoàng Phương đã tận tình hướng dẫn tác giả trong quá trình thực hiện đồ án, đồng thời

gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô và các thành viên ở Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự

động hóa (trước đây là Tòa nhà công nghệ cao -Hitech) đã tạo điều kiện để tác giả hoàn

1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

1.1 Tiềm năng và các ứng dụng của năng lượng mặt trời

1.1.1 Tiềm năng của năng lượng mặt trời

Ngày nay, sự tiêu thụ các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng gia tăng Như chúng

ta đều đã biết, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu này gây ô nhiễm lớn tới môi trường, đặc biệt là gây ra hiệu ứng nhà kính Trước tình trạng đó, việc tìm ra các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng trở nên cấp thiết Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời ngày càng trở nên phổ biến Đặc biệt, điện mặt trời được tạo ra từ các tấm pin năng lượng mặt trời cũng trở nên thông dụng trên nhiều quốc gia Có thể

kể đến mười quốc gia dẫn đầu về sản xuất điện từ pin năng lượng mặt trời, tính đến năm tháng 3 năm 2016 như sau: Đức, Trung Quốc, Nhật Bản, Ý, Mỹ, Pháp, Tây Ban Nha, Úc, Bỉ, Hàn Quốc Trong đó, Đức dẫn đầu với công suất điện sản xuất được từ pin năng lượng trời là 38,250MW

Hình 1.1 - Pin mặt trời KC200GT của

khoảng 2000 – 5000 giờ/năm Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá

ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm

Tuy là quốc gia giàu tiềm năng về năng lượng mặt trời nhưng việc khai thác nguồn năng lượng này ở Việt Nam còn đang rất hạn chế Tính đến nay điện mặt trời chỉ mới khai thác được 3,5MW Tuy nhiên, việc phát triển các nguồn năng lượng sạch như nguồn năng lượng mặt trời là một điều tất yếu để phát triển bền vững của mỗi quốc gia Ngày 25-9-2012, Chính phủ Việt Nam phê duyệt “Chiến lược năng lượng xanh”, đây

là một văn kiện quan trọng để năng lượng mặt trời phát triển ở nước Việt Nam Vì vậy, việc nghiên cứu các vấn đề của năng lượng mặt trời cũng như việc đưa ra các giải pháp

là một vấn đề cấp thiết hiện nay

1.1.2 Các ứng dụng năng lượng mặt trời

 Pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết

bị biến đổi quang học Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ đâu có ánh sáng mặt trời Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/W, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, nơi mà đường điện quốc gia chưa có

 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho nhà máy phát điện

 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời hiện nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp

Với những ứng dụng thiết thực trong đời sống và thay thế các phương pháp khai thác điện truyền thống, giảm thiểu được vấn đề ô nhiễm môi trường nên tác giả đã nghiên cứu hệ thống biến đổi năng lượng trong ứng dụng pin năng lượng mặt trời nối lưới

1.2 Pin mặt trời

1.2.1 Cấu tạo

Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện, là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại

sử dụng silic tinh thể tinh khiết là chất bán dẫn, dẫn điện rất kém vì các electron bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có electron tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện

Pin quang điện được tạo thành từ các PV cell ghép lại với nhau PV cell là phần tử bán dẫn gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N cạnh nhau, có diện tích bề mặt rộng và

có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Trên bề mặt của PV cell có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào nó, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng bị phản xạ ngược lại, còn một phần ánh sáng

sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ

1.2.2 Mô hình toán học

Một tấm pin mặt trời được tạo thành bởi nhiều PV cell ghép nối tiếp nối lại với nhau

có phương trình mô tả đặc tính dòng điện - điện áp (đặc tính i-v) như PT(1.1)

qE T

n

qE T

Từ PT(1.4), ta có thể xây dựng họ đường đặc tính u-i của một tấm pin mặt trời Hình 1.4 là họ đường đặc tính u-i của tấm pin KC200GT theo cường độ bức xạ và theo nhiệt độ

Hình 1.4 - Đường đặc tính u-i theo cường độ bức xạ và theo nhiệt độ của tấm pin

KC200GT

1.3 Hệ thống pin mặt trời nối lưới

1.3.1 Mô hình hệ thống pin mặt trời nối lưới

Bộ chuyển đổi

Bộ chuyển đổi DC-AC

Hình 1.5 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới

Hệ thống pin mặt trời nối lưới được khai thác theo 2 hướng như Hình 1.5 Hướng thứ nhất, nối lưới trực tiếp, sử dụng bộ biến đổi DC/DC để nâng điện áp một chiều từ các tấm pin năng lượng mặt trời lên một giá trị phù hợp rồi sau đó sử dụng bộ biến đổi DC/AC để biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có thể hòa vào lưới điện Hướng thứ hai là sử dụng một thiết bị lưu trữ trung gian là ac-quy để tích trữ năng lượng Điện áp một chiều từ pin mặt trời qua bộ DC/DC biến đổi điện áp thành một giá trị phù hợp để có thể nạp vào ac-quy Sau đấy, năng lượng từ bộ ac-quy qua bộ DC/AC chuyển đổi thành điện áp xoay chiều có thể hòa vào lưới

Phương pháp nối lưới thứ hai gây ra chi phí cao vì phải sử dụng một lượng lớn quy để tích trữ năng lượng Vì vậy, phương pháp nối lưới trực tiếp sẽ được nghiên cứu trong đề tài này

ac-1.3.2 Vấn đề đặt ra

Thông thường các tấm mặt trời có hiệu suất thấp cho nên việc nghiên cứu pin mặt trời trong ứng dụng nối lưới trực tiếp đặt ra nhiều vấn đề Một trong những vấn đề quan trọng nhất là làm sao tối ưu công suất từ các tấm pin mặt trời để đưa năng lượng điện vào lưới Điện áp một chiều tạo ra của mỗi tấm pin mặt trời là rất nhỏ (chỉ khoảng 30V), trong khi muốn hòa được vào lưới điện ta cần một điện một chiều lớn Vì vậy, thông thường ta phải nối rất nhiều các tấm pin mặt trời lại với nhau gọi là chuỗi pin mặt trời Các chuỗi này có thể tạo thành một cánh đồng pin mặt trời như Hình 1.2 Các chuỗi pin mặt trời này phải trải dài trên một dải diện tích rất rộng Tuy nhiên, do việc phải hoạt động ngoài trời (để nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời), các điều kiện chiếu sáng, nhiệt độ trên các tấm pin trên cùng một chuỗi là khác nhau Dưới điều kiện hoạt động khác nhau đấy, đường đặc tính công suất – điện áp (p-u) của chuỗi pin mặt trời xuất hiện rất nhiều điểm cực trị Hình 1.6 thể hiện đường đặc tính (p-u) của 3 tấm pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau và cả 3 tấm này hoạt động dưới điều kiện khác nhau Như ta thấy, đường p-u trong Hình 1.6 có 3 điểm cực trị ứng với 3 công suất khác nhau

là 400W, 525W, 500W Các thuật toán tìm điểm công suất cực đại (MPPT) hiện nay chỉ đưa hệ thống về điểm cực trị đầu tiên tức là chỉ lấy được công suất là 400W từ 3 tấm pin này, trong khi công suất tối đa có thể tận dụng được là 525W Bây giờ, nếu tưởng tượng ta kết nối một chuỗi lớn pin mặt trời lại với nhau mà toàn bộ hệ thống hoạt động dựa vào điều kiện của tấm pin đầu tiên thì như vậy hiệu suất của hệ thống giảm

đi rất nhiều Vì vậy, ta cần những giải pháp hiệu quả để tối ưu hơn công suất lấy được

từ những chuỗi pin mặt trời này

Hình 1.6 - Đường đặc tính p-u của 3 tấm pin năng lượng mặt trời dưới điều kiện hoạt

động khác nhau

1.3.3 Giải pháp hiện nay

Xu hướng hiện nay trong việc tối ưu năng lượng từ các tấm pin mặt trời là ta chia một chuỗi lớn pin mặt trời (vốn xuất hiện rất nhiều điểm cực trị) thành các chuỗi nhỏ hơn Các tấm pin trong từng chuỗi nhỏ này được sắp xếp thích hợp để chúng có các điều kiện làm việc ngoài trời gần giống nhau và khi đó các điểm cực trị của các tấm pin trong chuỗi pin nhỏ sẽ xấp xỉ bằng nhau và tiến tới là một điểm duy nhất

Tuy nhiên, việc chia chuỗi lớn pin mặt trời thành các chuỗi nhỏ có đặt ra vấn đề là: điện áp một chiều không đủ để thực hiện nghịch lưu trực tiếp với lưới Để giải quyết vấn đề đã nêu, có rất nhiều giải pháp được đưa ra, nhưng ở đây tác giả xin đưa ra hai giải pháp trong trường hợp kết nối lưới một pha:

 Thứ nhất, sử dụng bộ biến đổi DC/DC boost converter để tăng điện áp một chiều lên và sau đó sử dụng bộ biến đổi nghịch lưu một pha DC/AC truyền thống để đưa năng lượng vào lưới điện (Hình 1.7)

 Thứ hai, không cần sử dụng bộ biến đổi DC/DC để tăng áp mà sử dụng bộ nghịch lưu đa mức một pha (NLĐM) để đưa trực tiếp năng lượng từ pin mặt trời vào lưới điện (Hình 1.8)

Khi ta tách chuỗi pin mặt trời lớn thành các chuỗi pin mặt trời nhỏ thì sẽ suất hiện

hơn giải pháp thứ hai vì tương ứng mỗi chuỗi pin mặt trời sẽ có thêm một bộ biến đổi DC/DC Khác với giải pháp thứ nhất, giải pháp thứ hai sử dụng bộ biến đổi NLĐM

Bộ NLĐM có một điểm khác biệt so với nghịch lưu truyền thống là bộ NLĐM có n đầu vào Điện áp đầu vào sẽ giảm n lần so với điện áp đầu vào mong muốn của nghịch lưu thông thường Như vậy với một bộ NLĐM có n đầu vào thì ta có thể chia chuỗi pin NLMT lớn thành n chuỗi nhỏ hơn Vì thế trong trường hợp sử dụng bộ NLĐM, ta không cần sử dụng đến bộ biến đổi tăng áp DC/DC nữa

DC

Bộ biến đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/AC (Nghịch lưu truyền thống)

Hình 1.7 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu truyền thống

Chuỗi pin mặt trời 2

Chuỗi pin mặt trời 3

C

C

Bộ biến đổi DC/AC (Nghịch lưu đa mức)

Hình 1.8 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu đa mức

Trong đồ án này, tác giả sử dụng giải pháp thứ hai để ứng dụng cho hệ thống pin mặt trời nối lưới và bộ NLĐM là một thành phần quan trọng đối với giải pháp này và được nghiên cứu kỹ ở những chương tiếp theo

1.4 Tiêu chuẩn cho hệ pin mặt trời nối lưới

1.4.1 Các tiêu chuẩn quốc tế

Tiêu chuẩn về chất lượng điện áp EN50160:

Bảng 1-1 - Giới hạn sóng hài điện áp lưới EN 50160

 Mức độ hài hòa điện áp (xem Bảng 1-1), điện áp THD tối đa là 8%

 Điện áp mất cân bằng cho nghịch lưu 3 pha, độ mất cân bằng tối đa là 3%

 Biến thiên biên độ điện áp tối đa 10%

 Biến thiên tần số tối đa 1%

 Sụt giảm điện áp: thời gian <1s và sâu <60%

Ngoài ra còn có các tiêu chuẩn khác đối với hệ pin mặt trời nối lưới như:

 Tiêu chuẩn về giao diện IEC 61727

 Tiêu chuẩn về độ an toàn VDE 0126-1-1

 Tiêu chuẩn tương thích điện từ IEC 61000

1.4.2 Đáp ứng các điều kiện lưới bất thường

Bộ biến đổi pin mặt trời cần được ngắt kết nối trong trường hợp điều kiện lưới bất thường về điện áp và tần số Đáp ứng này đảm bảo an toàn cho người và thiết bị kết nối, gồm cả hệ thống quang điện

Điện áp thay đổi:

Thời gian ngắt kết nối tính từ tình trạng bất thường xảy ra tới khi bộ biến đổi ngừng cấp điện Bảng thời gian ngắt kết nối được cho ở Bảng 1-2

Bảng 1-2 - Thời gian ngắt kết nối đối với sự biến thiên điện áp

IEEE

1547

Dải điện áp (%) V<50 50V<88 110<V<120 V120 Thời gian ngắt kết nối (s) 0.16 2.00 1.00 0.16 IEC

61727

Dải điện áp (%) V<50 50V<85 110<V<135 V135 Thời gian ngắt kết nối (s) 0.10 2.00 2.00 0.05 VDE

Thời gian ngắt kết nối (s) 0.2

1.4.3 Chất lượng điện năng

Chất lượng điện năng cung cấp bởi hệ thống quang điện đối với tải AC cục bộ và đối với công suất phân bố hữu ích được quản lý bởi thực tiễn và các tiêu chuẩn về điện

áp, độ nhấp nhô, tần số, sóng hài và hệ số công suất Độ lệch từ những tiêu chuẩn này đại diện cho điều kiện nằm ngoài vùng giới hạn và có thể được yêu cầu ngắt kết nối của hệ thống pin mặt trời từ các thành phần hữu ích

Sự bơm dòng DC:

Bảng 1-4 - Giới hạn sử dụng dòng bơm DC

IDC<0.5% dòng

RMS

IDC<1% dòng RMS IDC<1A, thời gian tác động lớn nhất

0.2s

Bơm dòng DC có thể làm bão hòa các máy biến áp phân phối dẫn tới quá nhiệt hoặc đóng các tác động, vì vậy giới hạn dòng DC được cho ở

Sóng hài dòng điện:

Đầu ra của hệ thống bộ biến đổi pin NLMT cần có độ biến dạng dòng thấp để đảm bảo không có ảnh hưởng đến các thiết bị kết nối Bảng sóng hài tối đa được cho trong Bảng 1-5

Bảng 1-5 - Sóng hài dòng lớn nhất IEEE 1547 và IEC 61727

2 NGHỊCH LƯU 7 MỨC ĐIỆN ÁP MỘT PHA

2.1 Cấu trúc của bộ nghịch lưu 7 mức điện áp một pha

Hình 2.1 - Cấu trúc nghịch lưu 7 mức điện áp một pha

Nghịch lưu 7 mức (NL7M) điện áp một pha là một bộ nghịch lưu đa mức có số mức điện áp đầu ra là 7 Hình 2.1 là cấu trúc của một bộ NL7M gồm 3 cầu H mắc nối tiếp với nhau Mỗi cầu H chính là một bộ biến đổi nghịch lưu truyền thống, có thể tạo các mức điện áp -Udc, 0, +Udc Trong đó, Udc là điện áp một chiều ở đầu vào mỗi cầu H Nếu ta có M số cầu và điện áp một chiều của các cầu là như nhau thì bằng việc tổng hợp các mức điện áp ở các cầu lại với nhau ta sẽ có 2M+1 mức điện áp khác nhau Vẫn với M cầu nhưng nếu điện áp một chiều của các cầu là khác nhau thì số mức điện áp

có thể tạo ra là : 2M-1 Trong đồ án này, chúng ta giả sử các mức điện áp ở đầu vào các cầu xấp xỉ bằng nhau Hệ thống có thể được mở rộng và nâng số mức bằng cách lắp thêm các cầu H

Với bộ NL7M gồm 3 cầu H như Hình 2.1 thì hệ thống có thể tạo ra điện áp đầu ra

7 mức nếu điện áp một chiều các cầu bằng nhau Bảng 2-1 là một trong những cách tổ hợp các van để tạo ra điện áp đầu ra 7 mức Trong đó: uH1, uH2, uH3 là điện áp đầu ra của từng cầu H1, H2, H3; uH là điện áp đầu ra tổng của bộ nghịch lưu: uH=uH1+uH2+uH3 Nhìn vào Bảng 2-1 ta cũng có thêm nhận xét rằng: với các mức điện áp +2Udc, Udc, -Udc, -2Udc thì mỗi mức logic này có nhiều cách tổ hợp trạng thái của các van bán dẫn

để tạo ra chúng Tuy nhiên chúng ta cần có cách tổ hợp van bán dẫn đóng mở một cách hợp lý (liên quan đến phương pháp phát xung) để làm sao có thể giảm tổn hao chuyển mạch van và giảm độ méo sóng hài Điện áp đầu ra bộ NL7M điện áp một pha có dạng như Hình 2.2

t V

Hình 2.2 - Dạng điện áp đầu ra của nghịch lưu đa mức Bảng 2-1 - Tổ hợp logic các van để tạo ra các mức điện áp khác nhau

2.2 Phương pháp phát xung

Đối với phương pháp phát xung điều khiển các cầu H của bộ NLĐM, ta cần quan tâm đến 2 vấn đề chính Thứ nhất là phương pháp phát xung cho mỗi cầu Thứ hai là phương pháp điều chế sóng mang cho các cầu

2.2.1 Điều chế xung cho mỗi cầu

Để có thể phân tích nguyên lý của phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu điện áp một pha, ta có thể giả thiết các van bán dẫn ở mạch nghịch lưu là phần tử

lý tưởng Có 2 phương pháp điều chế độ rộng xung để tạo ra điện áp hình sin cho cầu nghịch lưu một pha: điều chế lưỡng cực và điều chế đơn cực Đối với bài toán này ta

sử dụng phương pháp điều chế đơn cực vì phương pháp này cho sóng hài tốt hơn so với phương pháp điều chế lưỡng cực

Phương pháp đơn cực sử dụng 2 tín hiệu ngược dấu nhau m và –m chỉ để điều khiển cặp van phía trên S1/S3 Còn hai cặp van phía dưới được điều khiển hoàn toàn phụ thuộc

2 van đó: S4 nhận trạng thái phủ định của S1, còn S2 nhận trạng thái logic phủ định của S3 (Hình 2.3) Dễ dàng nhận thấy: trong phạm vi nửa chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải chỉ nhận điện áp một dấu

2.2.2 Điều chế sóng mang

Đối với nghịch lưu đa mức điện áp một pha điều chế theo sóng mang có thể coi là phương pháp hiệu quả nhất, dễ thực hiện nhất mà vẫn đảm bảo tần số đóng cắt của van thấp hơn so với tần số điều chế tại điện áp đầu ra Tùy theo cách thức sắp đặt các sóng mang phương pháp chia làm hai dạng chính là điều chế theo sóng mang dạng dịch pha

và điều chế sóng mang dạng dịch mức

Điều chế sóng mang dạng dịch mức:

Trong điều chế sóng mang dạng dịch mức nghịch lưu với N mức điện áp cần (N-1) sóng răng cưa có tần số và biên độ như nhau, sắp đặt chồng lên nhau để phủ hết mức điện áp từ +N.Udc đến-N.Udc khi sóng sin điều chế thay đổi hết dải biên độ từ +Urm đến –Urm, đối xứng quanh mức 0 Sóng điều chế so sánh với các răng cưa để xác định quy luật đóng cắt của các van trong cầu H để xác định mức điện áp ra tương đương

Có 3 phương pháp thực hiện PWM dịch mức tùy theo pha của các răng cưa với nhau là:

 Pha như nhau (PD – Phase Disposition), khi tất cả các răng cưa đồng pha với nhau như Hình 2.4

 Lệch pha xen kẽ 180o (APOD-Alternative Phase Opposition Disposition), khi pha của mỗi răng cưa ở mức cạnh nhau ngược pha nhau như Hình 2.5

 Pha ngược nhau (POD – Phase Opposition Disposition), khi pha của các răng cưa xếp trên mức 0 lệch 180o so với các răng cưa đối xứng ở dưới mức như Hình 2.6

Đối với cầu H có thể điều chế điện áp đơn cực hoặc lưỡng cực, trong đó dạng đơn cực sẽ cho sóng hài tốt hơn Khi điều chế một cực tính mỗi nhánh nửa cầu được điều khiển bởi tín hiệu PWM bởi 2 răng cưa lệch nhau 180o Như vậy số răng cưa có thể tăng lên gấp đôi, mỗi răng cưa lại có một sóng mang ngược pha nhau với nó

Phương pháp dịch pha đảm bảo rằng số sóng hài bậc cao do quá trình điều chế đưa

ra có tần số bằng 2.M.fpwm, nghĩa là cao hơn 2.M lần tần số đóng cắt của mỗi cầu H Nói cách khác để đảm bảo sóng hài bậc cao thấp nhất ở một tần số nào đó thì mỗi cầu thành phần chỉ phải đóng cắt ở tần số nhỏ hơn 2.M lần, nghĩa là tổn hao do đóng cắt trên van nhỏ hơn 2.M lần so với nghịch lưu 2 mức thông thường Cùng với việc các van chỉ phải chịu điện áp (N-1)/2 lần nhỏ hơn so với biên độ điện áp ra mong muốn, tốc độ tăng điện áp đặt trên tải đầu ra du/dt cũng (N-1)/2 lần nhỏ hơn, thì đây chính là

ưu điểm quan trọng nhất của NLĐM, đặc biệt trong các ứng dụng ở dải công suất lớn, điện áp cao

Sóng mang cho cầu H1

Sóng mang cho cầu H2

Sóng mang cho cầu H3

Hình 2.7 - Điều chế sóng mang theo phương pháp dịch pha

2.3 Mạch điện tương đương trong sơ đồ nối lưới

Hình 2.8 - Mạch điện tương đương của bộ nghịch lưu 7 mức một pha nối lưới

Với một bộ nghịch lưu đa mức gồm 3 cầu H thì mỗi cầu H chính một bộ nghịch lưu truyền thống Đầu ra của mỗi bộ nghịch lưu truyền thống này sẽ tương đương một nguồn xoay chiều và đầu ra của bộ NLĐM sẽ là tổng hợp của 3 nguồn xoay chiều đấy (Hình 2.8) Nếu hệ số điều chế của một cầu thứ i là mi thì điện áp đầu ra mỗi cầu sẽ là:

uHi=mi.Udci Trong đó Udci là điện áp một chiều đầu vào của cầu thứ i Điện áp đầu ra của bộ NLĐM sẽ được biểu diễn như sau:

có nghĩa là dòng năng lượng từ phía một chiều đang chảy về phía lưới, hệ thống hoạt động ở độ nghịch lưu Trong trường hợp góc pha giữa is và ug nằm trong khoảng từ 90ođến 180o thì dòng năng lượng lại chảy từ phía lưới về phía một chiều, hệ thống hoạt động ở chế độ chỉnh lưu

2.4 Tính toán mạch lực

Trong điều kiện của phòng thí nghiệm, bộ NL7M được nghiên cứu và thiết kế để hòa vào lưới điện 220V Ngoài ra, bộ NL7M được thiết kế phù hợp trong việc đưa năng lượng của 18 tấm pin loại KC200GT vào lưới điện Mỗi tấm pin có công suất cực đại

là 200W ở điều kiện tiêu chuẩn Ta cần quan tâm một vài thông số của tấm pin này như Bảng 2-2

Bảng 2-2 - Thông số của pin KC200GT

Ở điều kiện tiêu chuẩn

Điện áp tại điểm công suất cực đại (Vmpp) 26.3V Dòng điện tại điểm công suất cực đại (Impp) 7.61A

Tổng công suất cực đại của 18 tấm pin hoạt động ở điều kiện tiêu chuẩn là: 3600W

Từ mạch điện tương đương Hình 2.8 ta viết được quan hệ giữa các thành phần điện

Điện áp ngay đầu ra của bộ nghịch lưu quan hệ với điện áp một chiều tổng qua hệ

số biến điệu như sau:

2

g dcsum

Trong trường hợp tốt nhất, khi hòa lưới, hệ số công suất ta mong muốn đạt được là bằng 1 Để dự trữ cho khả năng xấu có thể xảy ra, ta giả sử, hệ số công suất nhỏ nhất

là 0.8 Khi đó, dòng điện trung bình phía một chiều là:

3600

10( )cos 0.8 450

s dcsum

Chọn hệ số an toàn điện áp cho van là: ku=2

Giá trị điện áp max qua van: Umax k u.Udci  2 150 300(V)

Từ các thông số trên ta chọn được van dùng cho sơ đồ cầu H là IGBT: IRF640N

Biểu thức (2.5) cho phép đưa ra lựa chọn giá trị điện cảm L phụ thuộc vào các thông

số và chế độ làm việc của sơ đồ Nếu bỏ qua tổn thất trên các phần tử ta có mối quan

hệ cân bằng công suất giữa phía một chiều và xoay chiều Pd=Udcsum.Idc=Ug.Is Nói cách khác là dòng Is được xác định hoàn toàn bởi công suất đầu vào Pd Từ PT (2.5) có thể thấy rằng trong chế độ chỉnh lưu, khi hoạt động không tải Is=0, suy ra m=mmin=1/k Khi tải tăng lên dòng Is cũng tăng lên, dẫn đến hệ số biến điệu cũng tăng lên, đến giá trị lớn nhất là mmax=1 Như vậy có thể xác định được điện cảm L từ giá trị lớn nhất có thể có dòng tải, ứng với m=1, như biểu thức (2.6)

2 s,max

Tụ C được chọn sao cho điện áp trên tụ chỉ thay đổi trong phạm vi cho phép Điện áp trên tụ thay đổi lớn nhất theo biểu thức (2.7)

1

P C

Dòng tải xoay chiều định mức: Is,nom 3600 / 220 16.36( ) A

Với khả năng dự phòng quá tải nên: Is,max 2Is,nom 32.73( )A

Từ biểu thức (2.6), ta tính được giá trị cuộn cảm như sau:

2.5 Ưu, nhược điểm của nghịch lưu đa mức

Do cấu trúc mạch lực đơn giản, tính module hóa cao nên dễ dàng mở rộng hệ thống

Để nâng số mức điện áp đầu ra ta chỉ cần lắp nối tiếp các cầu H vào hệ thống

So với một bộ nghịch lưu truyền thống thì một bộ NLĐM có M cầu sẽ có điện áp DC-link đặt vào mỗi cầu giảm M lần Điều này có ý nghĩa là điện áp mà mỗi van bán dẫn phải chịu cũng sẽ giảm xuống M lần Vì thế chi phí đầu tư cho van bán dẫn cũng giảm xuống

Với dạng điện áp cầu ra có dạng bậc tiến gần với hình sin như Hình 2.2 thì ta chỉ cần một tần số phát xung nhỏ nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng sóng hài Tần số

phát xung cho hệ thống NLĐM này chỉ là 1kHz Khi tần số phát xung giảm xuống thì tổn hao chuyển mạch van cũng giảm đáng kể

Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm kể trên, bộ NLĐM cũng có một vài nhược điểm Với số lượng cầu H lớn, hệ thống trở nên cồng kềnh và khó lắp đặt Ngoài ra, việc điều khiển cũng trở nên phức tạp và khó khăn hơn Hệ thống vi điều khiển cần có các bộ phát xung đa dạng và linh hoạt

3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 Cấu trúc điều khiển

Cấu trúc điều khiển cần xây dựng phải thỏa mãn được hai tiêu chí Thứ nhất, hệ thống phải tối ưu được công suất từ các tấm pin mặt trời và đưa vào lưới điện Thứ hai,

để đảm bảo khả năng hòa được vào lưới điện, dòng điện ở phía lưới phải đảm bảo chất lượng sóng hài và đồng pha với điện áp lưới Với hai tiêu chí trên, hệ thống điều khiển

Dịch pha sóng mang

Bộ điều khiển dòng điện

Hình 3.1 - Cấu trúc điều khiển hệ thống tổng thể

Để tìm ra công suất cực đại từ các tấm pin mặt trời, cấu trúc điều khiển gồm các khối như sau:

 Thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking – Tìm điểm công suất cực đại): có nhiệm vụ tìm ra điểm làm việc có công suất cực đại của từng chuỗi pin Thuật toán sẽ đưa ra một giá trị điện áp đặt ở đầu ra của mỗi chuỗi pin mặt trời (hay chính là điện áp một chiều ở đầu vào mỗi cầu H) và yêu cầu hệ thống cần đáp được lượng giá trị đặt này Nói cách khác, thuật toán MPPT sẽ đưa ra giá

trị điện áp đặt ở các đầu vào một chiều bộ nghịch lưu Ứng với mỗi chuỗi pin mặt trời sẽ có tương ứng một bộ điều khiển MPPT

 Các bộ điều khiển điện áp có nhiệm vụ điều khiển điện áp một chiều ở đầu vào

bộ nghịch lưu nhằm đảm bảo điện áp trên tụ đáp ứng được giá trị điện áp đặt từ các thuật toán MPPT Có 3 bộ điều khiển điện áp: bộ điều khiển điện áp tổng điều khiển tổng điện áp các đầu vào một chiều bộ nghịch lưu, hai bộ điều khiển điện áp thành phần điều khiển điện áp một chiều ở đầu vào cầu H thứ 2 và thứ

Dịch pha sóng mang

Bộ điều khiển dòng điện

Thuật toán MPPT có vai trò quan trọng trong các hệ thống pin mặt trời trong việc tối ưu công suất của các chuỗi pin mặt trời Vì điều kiện thời tiết luôn thay đổi (sự thay đổi về nhiệt độ, sự xuất hiện của các đám mây làm che ánh nắng mặt trời làm thay đổi cường độ bức xạ ) dẫn đến đường đặc tính của các tấm pin thay đổi liên tục Mặt khác

vì hiệu suất của pin quang điện là tương đối thấp nên người ta luôn tìm cách để cải thiện điều này Chính vì vậy, thuật toán MPPT được đưa ra với nhiệm vụ dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời Trong cấu trúc điều khiển tổng thể, thuật toán MPPT nằm ở vị trí như Hình 3.2 Thuật toán cần đo về hai giá trị điện

áp và dòng điện ở đầu ra mỗi chuỗi pin, sau đấy, sẽ xử lý, tính toán và đưa ra giá trị điện áp đặt cho bộ điều khiển điện áp Có hai phương pháp thực hiện thuật toán MPPT được sử dụng phổ biến là phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O và phương pháp điện dẫn gia tăng INC

Phương pháp INC cơ bản dựa trên đặc điểm độ dốc của đường đặc tính pin bằng không tại điểm MPP (Maximum Power Point – Điểm công suất cực đại), độ dốc này dương khi ở bên trái điểm MPP, âm khi ở bên phải điểm MPP

 khi ở bên phải MPP

Phương pháp INC dựa vào mối tương quan giữa di/du và i/u được thể hiện trên Hình 3.3

Hình 3.3 - Minh họa phương pháp INC trên đường đặc tính p-u

Dựa vào Hình 3.3, thuật toán MPPT theo phương pháp INC được thực hiện như Hình 3.4

S S

3.3 Bộ điều khiển dòng điện

Dịch pha sóng mang

Bộ điều khiển dòng điện

Hình 3.5 - Vị trí của bộ điều khiển dòng điện (màu xanh) trong cấu trúc điều khiển tổng thể

Mục đích của bộ điều khiển dòng điện là điều khiển dòng điện chạy qua cuộn cảm

L sao cho có pha giống với pha của điện áp lưới, từ đó hệ số công suất bằng 1

Từ mạch điện tương đương Hình 2.8, ta viết phương trình Kichoff cho mạch vòng thì thu được phương trình vi phân (3.2)

Trong đó: L là giá trị điện cảm của cuộn cảm, r là điện trở của cuộn cảm

Laplace phương trình vi phân (3.2), ta được đối tượng của bộ điều khiển dòng dòng điện như công thức (3.3)

g H

3.3.1 Bộ điều khiển cộng hưởng PR

Đối với bộ nghịch lưu, lượng đặt dòng điện đối với bộ điều khiển dòng điện luôn thay đổi, nếu sử dụng cấu trúc điều khiển PI thì luôn tồn tại sai lệch điều chỉnh Vì vậy, cần phải thay thế bằng một bộ điều khiển khác có khả năng giải quyết vấn đề này

Bất kì bộ điều khiển dòng điện nào yêu cầu đạt được sai lệch ở chế độ ổn định bằng không phải có bộ khuếch đại một chiều là vô hạn, thực tế thì trong việc thiết kế bộ điều khiển thì giá trị bộ khuếch đại luôn bị chặn vì sự giới hạn về mặt phần cứng Với bộ điều khiển cộng hưởng thì lại có thể đạt được sai lệch bằng không tại tần số cộng hưởng

Ta có hàm truyền đạt trong hệ tọa độ tĩnh của bộ điều khiển PI như biểu thức (3.4)

Ih Pih Ph

Trong đó 1 là tần số góc cơ bản của dòng điện

Thực hiện tương tự với chuỗi có thành phần thứ tự nghịch bằng cách thay s bằng s+jh1 vào biểu thức (3.4) ta được biểu thức (3.6)

Hình 3.6 - Đồ thị Bode của bộ điều khiển cộng hưởng với K Ph =5, K Ih =2000

Ta thấy ở tần số cộng hưởng h1, bộ điều khiển cộng hưởng có độ khuếch đại một chiều là vô hạn Ngoài ra theo kết quả của biểu thức (3.8) ta thấy rằng thành phần tích phân của bộ điều khiển trong hệ tọa độ quay tương đương trong hệ tọa độ tĩnh chính là

bộ lọc cộng hưởng bậc 2 có tần số cộng hưởng chính xác bằng h1 và chú ý rằng bộ lọc cộng hưởng này có hệ số tắt dần bằng không Vai trò của hệ số tích phân KIh không thể thiếu là xác định khả năng chọn lọc của bộ lọc Như vậy bộ điều chỉnh cộng hưởng

có khả năng điều chỉnh sai lệch dòng điện ở chế độ ổn định bằng không tại tần số sóng hài bậc h

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển cộng hưởng PR cho vòng dòng điện

Với đối tượng là dòng điện xoay chiều một pha, ta có cấu trúc bộ PR như Hình 3.7

Hình 3.7 - Cấu trúc bộ điều khiển PR

Ta có hàm truyền vòng kín của mô hình như biểu thức (3.9)