Điều khiển công suất của hệ thống tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo nối lưới

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI THỊ THU HÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN, 2017 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Ý NGHĨA CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Phạm vi nghiên cứu Mục tiêu đề tài Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 10 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 10 1.1 TỔNG QUAN 10 1.1.1 Khái niệm lượng tái tạo 10 1.1.2 Phân loại lượng tái tạo 10 1.1.3 Vai trò lợi ích lượng tái tạo 12 1.2 TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIÓ MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI 14 1.3 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIĨ MẶT TRỜI 17 1.3.1 Tiềm phát triển lượng tái tạo Việt Nam 17 1.3.2 Xu phát triển điện gió điện mặt trời Việt Nam 18 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 19 CHƯƠNG HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIÓ VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 20 2.1 MƠ TẢ HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIĨ VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 20 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 20 2.1.2 Vấn đề điều khiển hệ thống tích hợp điện gió mặt trời nối lưới 22 2.2 PIN MẶT TRỜI (PV - Photovoltaic) 22 2.2.1 Khái niệm 22 2.2.2 Mơ hình tốn đặc tính làm việc pin mặt trời 23 2.3 BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU - MỘT CHIỀU (DC/DC) 26 2.3.1 Chức 26 2.3.2 Các loại biến đổi DC/DC 27 2.3.2.1 Bộ biến đổi DC/DC không cách ly 27 2.3.2.2 Bộ biến đổi DC/DC có cách ly 32 2.3.3 Điều khiển biến đổi DC-DC 33 2.3.3.1 Mạch vòng điều khiển điện áp 33 2.3.3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện 34 2.4 TUABIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN 34 2.4.1 Cấu tạo 34 2.4.2 Mơ hình hóa tuabin gió (WT) máy phát cảm ứng 36 2.4.3 Điều khiển điện gió 38 2.5 NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI (Grid Tie Inverter) 39 2.5.1 Các phép chuyển đổi 39 2.5.1.1 Biến đổi hệ thống ba pha sang pha 39 2.5.1.2 chuyển đổi hệ thống pha sang hai pha 42 2.5.2 Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 43 2.5.2.1 Điều chế độ rộng xung dựa sóng mang (CB-PWM) 44 2.5.2.2 Điều chế véc tơ không gian (SVM) 45 2.5.4 Bù sóng hài 46 2.6 ĐỒNG BỘ HÓA LƯỚI 47 2.6.1 Lọc phát điểm qua zero (ZCD - Zero Cross Detection) 47 2.6.2 Lọc điện áp lưới 47 2.6.3 Vòng lặp khóa pha (PLL - Phase Lock Loop) 48 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 49 CHƯƠNG 50 ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ ĐIỆN GIÓ 50 3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/AC 50 3.1.1 Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân (PI) 50 3.1.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) 51 3.1.3 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái 52 3.2 ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN CHO BIẾN TẦN MỘT PHA NỐI LƯỚI 52 3.2.1 Bộ điều khiển dòng điện d-q 52 3.2.2 Kết mô 54 3.3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO BIẾN TẦN MỘT PHA NỐI LƯỚI 55 3.3.1 Mở đầu 55 3.3.2 Công suất tác dụng công suất phản kháng pha hệ qui chiếu ảo trục 58 3.3.3 Cấu trúc mạch điều khiển công suất 60 3.3.4 Kết mô 62 3.3.5 Nhận xét 64 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Minh họa hệ thống điều khiển nối lưới nguồn điện gió mặt trời [27] Hình 1.2: Điện mặt trời cho hộ gia đình [26] Đồ thị 1: Sự tăng trưởng tổng điện mặt trời theo năm 15 Đồ thị 2: Tình hình xây dựng nhà máy quang điện mặt trời năm 2001-2015 16 Hình 2.1: Hệ thống tích hợp điện gió mặt trời nối lưới [27] 20 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống tích hợp lượng gió mặt trời 22 Hình 2.3: Mạch tương đương modul PV 24 Hình 2.4: Quan hệ I(U) P(U) PV 25 Hình 2.5a,b,c,d: Họ đặc tính PV 26 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý giảm áp Buck 27 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 28 Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost 29 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý biến đổi Cuk 30 Hình 2.10: Sơ đồ mạch Cuk khố SW mở thơng dòng 31 Hình 2.11: Sơ đồ mạch Cuk khố SW đóng 31 Hình 2.12: Bộ chuyển đổi DC/DC có cách ly 32 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 33 Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 34 Hình 2.15: Cấu tạo tuabin gió trục ngang 35 Hình 2.16: Tuabin gió với tốc độ thay đổi có biến đổi nối trực tiếp stator lưới 36 Hình 2.17: Sơ đồ mơ tuabin gió 38 Hình 2.18: Chỉnh lưu cầu kép 38 Hình 2.19: Sơ đồ khối chức điều khiển tuabin gió 39 Hình 2.21: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq 41 Hình 2.22: Cấu trúc SOGI 43 Hình 2.23: Điều chế độ rộng xung dựa sóng mang hình sin 44 Hình 2.24: Biểu diễn véc tơ không gian điện áp 45 Hình 2.25:Vòng lặp khóa pha 48 Hình 2.26: Sơ đồ vòng khóa pha với chuyển đổi 49 Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần pha nối lưới 54 Hình 3.2: Đáp ứng hệ thống sử dụng PI 55 Hình 3.3: Sơ đồ khối nghịch lưu nối lưới 57 Hình 3.4: Đồ thị véc tơ điện áp dòng điện biến tần 57 Hình 3.5: Vòng điều khiển dòng điện 61 Hình 3.6: Bộ điều khiển cơng suất 62 Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất biến tần pha nối lưới 62 Hình 3.8: Cơng suất tác dụng 63 Hình 3.9: Công suất phản kháng 63 Hình 3.10: Dạng sóng điện áp 64 Ý NGHĨA CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Inverter Grid Tie Inverter On Grid Biến tần nối lưới PLL - Phase Lock Loop Vòng khóa pha NLTT Năng lượng tái tạo DC-DC Biến đổi chiều sang chiều DC-AC Biến đổi chiều sang xoay chiều PR - Proportional Resonant Cộng hưởng tỉ lệ INC - Inremental Conductance Thuật toán độ dẫn gia tăng Anti Islanding Chống cô lập CV - Constant Voltage Thuật tốn điện áp khơng đổi P&O - Perturb and Observe Thuật toán xáo trộn quan sát PC - Parasitic Capacitance Thuật toán điện dung ký sinh Solar Power Năng lượng mặt trời SOGI-Second-order generalised Tích phân bậc tổng quát integrator ZCD - Zero Cross Detection Phát điểm qua zero ZCZVS - Zero current Zero Voltage Switching Chuyển mạch với điện áp dòng điện CB-PWM - Carrier Based Pulse Width Điều chế độ rộng xung dựa sóng mang SVM - Space Vecto Modulation Điều chế véc tơ không gian CC - Current Control Điều khiển dòng điện VC - Voltage - Control điều khiển điện áp VSI - Voltage Source Inverter biến tần nguồn áp MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nguồn lượng truyền thống như: dầu mỏ, khí đốt tự nhiên than đá ngày cạn kiệt, đáp ứng nhu cầu lượng thêm 50-70 năm Vì vậy, cần phải tìm kiếm nguồn lượng để thay Giải pháp nghiên cứu sử dụng nguồn lượng tái tạo Nguồn lượng tái tạo dồi dào, có khả thay nguồn lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động đến mơi trường Vì vậy, tập trung nghiên cứu ứng dụng lượng tái tạo hướng lượng công nghiệp, thời đại ngày vấn đề tiết kiệm lượng đặt lên hàng đầu Việc khai thác lượng tái tạo có ý nghĩa quan trọng kinh tế, xã hội, an ninh lượng phát triển bền vững Nguồn lượng mặt trời nguồn lượng phong phú, xanh, sạch, thân thiện với môi trường, áp dụng nơi miễn nơi có ánh sáng mặt trời Chi phí thực nguồn lượng giảm nhanh chóng dự kiến tiếp tục giảm năm thực lượng tương lai đầy hứa hẹn cho khả phát triển kinh tế môi trường bền vững Đồng thời, nguồn gốc nguồn lượng tái tạo khác lượng gió, lượng sinh khối, lượng dòng sơng… Trong năm gần có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất tích trữ lượng mặt trời [1], [2], [3], [4], nhiên, việc sử dụng nguồn lượng chủ yếu dừng lại mức cục (tức khai thác sử dụng chỗ ), lượng dư thừa chưa hòa lên lưới điện quốc gia ( bán trở lại cho lưới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ) Vì vậy, việc nghiên cứu, xây dựng sơ đồ hệ thống tích hợp ng̀ n lươ ̣ng tái tạo để cung cấ p cho phụ tải cục đồng thời hòa nguồn lượng lên lưới điện quốc gia vấn đề cấp thiết Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống điều khiển lai nối lưới lượng điện gió mặt trời với cơng suất nhỏ dùng hộ khu dân cư (hình 1) Hệ thống có kinh phí vừa phải phù hợp với điều kiện Việt Nam Hình 1.1: Minh họa hệ thống điều khiển nối lưới nguồn điện gió mặt trời [27] Mục tiêu đề tài Xây dựng phương án tích hợp nguồn lượng tái tạo (gió mặt trời) hòa lưới điện đề xuất giải pháp điều khiển công suất hệ thống Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phần mềm Matlab Psim Hình 1.2: Điện mặt trời cho hộ gia đình [26] CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 TỔNG QUAN 1.1.1 Khái niệm lượng tái tạo Năng lượng tái tạo hiểu nguồn lượng hay phương pháp khai thác lượng mà đo chuẩn mực người vô hạn, theo hai nghĩa: Hoặc lượng tồn nhiều đến mức mà trở thành cạn kiệt sử dụng người (năng lượng Mặt Trời) lượng tự tái tạo thời gian ngắn liên tục (năng lượng sinh khối) quy trình diễn tiến thời gian dài Trái Đất Năng lượng mặt trời nguồn lượng tái tạo quan trọng mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh Đồng thời nguồn gốc nguồn lượng tái tạo khác nặng lượng gió, lượng sinh khối, lượng dòng sơng… Năng lượng mặt trời nói vơ tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn lượng cần phải biết đặc trưng tính chất nó, đặc biệt tới bề mặt đất 1.1.2 Phân loại lượng tái tạo Việt Nam có tiềm phát triển nguồn Năng lượng tái tạo sẵn có Những nguồn Năng lượng tái tạo khai thác sử dụng thực tế nhận diện đến gồm: thủy điện nhỏ, lượng gió, lượng sinh khối, lượng khí sinh học (KSH), nhiên liệu sinh học, lượng từ nguồn rác thải sinh hoạt, lượng mặt trời, lượng địa nhiệt Thủy điện nhỏ: Được đánh giá dạng Năng lượng tái tạo khả thi mặt kinh tế - tài Căn vào báo cáo đánh giá gần có 1.000 địa điểm xác định có tiềm phát triển thủy điện nhỏ, qui mơ từ 100kW tới 30MW với tổng công suất đặt 7.000MW, vị trí tập trung chủ yếu vùng núi phía Bắc, Nam Trung Bộ Tây Nguyên Năng lượng gió: Được đánh giá quốc gia có tiềm phát triển lượng gió số liệu tiềm khai thác lượng gió Việt Nam chưa lượng hóa đầy đủ thiếu điều tra đo đạc Số liệu đánh giá tiềm năng lượng gió có dao động lớn, từ 1.800MW đến biến tần cần phải bơm dòng điện tác dụng vào lưới, dòng điện sin pha với điện áp lưới Để thỏa mãn điều kiện sai số xác lập dòng điện tham chiếu dòng điện thực tế cần phải xấp xỉ không tần số lưới Một giải pháp ứng dụng phổ biến xây dựng điều khiển hệ tọa độ quay đồng với tần số lưới (hệ tọa độ d-q) Bộ điều khiển hệ tọa độ d-q cho phép hệ số khuếch đại lớn tần số lưới có tính khử nhiễu cao Do làm tăng hiệu điều khiển hủy bỏ dòng điện phản kháng đưa vào lưới điện Đối với hệ thống pha, điện áp dòng điện có thành phần Vì để áp dụng điều khiển hệ qui chiếu đồng ta cần tạo thành phần điện áp ảo dòng điện ảo vng pha với trạng thái điện áp dòng điện hệ thống Giả thiết điện áp lưới dòng điện lưới là: u α (t) = Ucos  ωt + φ u  i α (t) = Icos  ωt + φi  (3.5) Trong ω tần số góc lưới, φu, φi góc pha đầu điện áp dòng điện Thành phần dòng điện ảo trực giao với dòng điện lưới (iα) i (t )  Isin  t+i  Áp dụng chuyển đổi Park ta dễ dàng tính Id Iq hệ qui chiếu quay đồng với điện áp lưới  I d   cos (t) sin  (t)   I  I       q    sin  (t) cos (t)   I   (3.6) Trong góc  (t )  t  v thu nhờ vòng khóa pha PLL Từ (3.6) ta có: id = i cos (t )  i sin  (t )    iq = -i sin  (t )  i  cos (t ) Thay i (t )  Icos  t+i  i (t )  Isin  t+i  vào (2) ta được: id = Icos  t+i  cos(t)  Isin  t+i  sin (t)  iq = -Icos  t+i  sin (t)  Isin  t+i  cos(t) (3.7)  id (t)  Icos  v -1   Icos   iq (t) = -Isin  v -1   Isin  (3.8) Trong id tương ứng với biên độ dòng điện lưới tác dụng, pha với điện áp lưới -iq tương ứng với biên độ dòng điện lưới phản kháng, vng góc với điện áp lưới; cosφ hệ số cơng suất Sơ đồ điều khiển dòng điện d-q hình 3.1 Trong biến phụ thuộc Uα trong chuyển đổi Park ngược sử dụng để điều khiển biến đổi DC/AC để có dòng điện lưới mong muốn Chuyển đổi Park ngược có đầu vào dòng điện Id dòng Iq Điểm đặt vòng điều khiển dòng điện phản kháng thường thiết lập điều kiện lý tưởng ta cần cung cấp dòng điện tác dụng Lưới AC Vbus  DC Vg Vα I*d I*q - PI2 - Ig α,β PI1 PLL ϑ d,q Id Iq Iα d,q ,β Iβ 900 ϑ Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần pha nối lưới 3.2.2 Kết mô Để kiểm tra đặc tính động phương pháp điều khiển dòng điện d-q, ta tiến hành mô phần mềm Psim Matlab-Simulink Các thông số hệ thống sử dụng đề mô là: - Điện áp chiều 400V - Tải trở pha: R = 10Ω - Điện cảm lọc: L = 10mH - Điện dung lọc: C = 500µF - Điện áp lưới: 220V - Tần số lưới: 50Hz - Thời gian chạy mô phỏng: 0,2s - Thơng số điều khiển dòng Id là: Kp = 1,85; KI = 0,56 - Thông số điều khiển dòng Iq là: Kp = 1,56; KI = 0,26 Ở thông số điều khiển xác định theo phương pháp chọn thử Uinv Ugrid Hình 3.2: Đáp ứng hệ thống sử dụng PI Kết mô hình 3.2 Từ kết mơ ta thấy cách thay đổi dòng điện tham chiếu với điều khiển PI1 PI2 ta điều tiết dòng cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng hệ thống điện gió mặt trời bơm vào lưới điện, thời gian tác động tương đối nhanh, khoảng 0,07s Tuy nhiên để có thời gian tác động nhanh phù hợp với nhiều loại tải cần phải có điều khiển có tham số thay đổi 3.3 ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO BIẾN TẦN MỘT PHA NỐI LƯỚI 3.3.1 Mở đầu Sơ đồ khối biến tần nối lưới hình 3.3, L điện cảm cuộn kháng lọc R điện trở chúng, E trị hiệu dụng điện áp đầu nghịch lưu, U trị hiệu dụng điện áp lưới điện i dòng điện chạy mạch Quan hệ điện áp biến tần điện áp lưới biểu diễn qua phương trình Kirhop dạng số phức: &+ (R + jX )I& E&= U (3.9) P,Q E C i U R L Inverter Grid Hình 3.3: Sơ đồ khối nghịch lưu nối lưới Giá trị điện trở cuộn kháng thường nhỏ, nên để đơn giản ta bỏ qua chúng, phương trình (1) trở thành: &+ jXI& E&= U (3.10) Đồ thị véc tơ biểu diễn quan hệ (3.10) hình 3.4 Trong  góc lệch pha điện áp dòng điện biến tần bơm vào lưới,  góc lệc pha điện áp đầu biến tần điện áp lưới Từ đồ thị véc tơ ta có quan hệ: E sin (d) = XI cos (j ) (3.11) Công suất tác dụng công suất phản kháng từ biến tần vào lưới xác định: P = UI cos(j ) = Q = UI sin(j ) = EU sin(d) X U EU cos(d) X X (3.12) (3.13) jXI&   & U I& Hình 3.4: Đồ thị véc tơ điện áp dòng điện biến tần Biểu thức (3.12) (3.13) cho thấy điều khiển cơng suất tác dụng công suất phản kháng đưa vào lưới điện cách điều chỉnh góc lệch pha điện áp () điều chỉnh điện áp đầu biến tần (E) Phương pháp điều khiển góc điện áp phương pháp đơn giản đề cập tài liệu [3,6] Trong đề tài này, đề xuất phương pháp điều chỉnh công suất tác dụng công suất phản kháng bơm vào lưới điện thông qua việc điều chỉnh điện áp đầu biến tần, gọi điều khiển theo hướng điện áp 3.3.2 Công suất tác dụng công suất phản kháng pha hệ qui chiếu ảo trục Theo biến định nghĩa hình 1, biểu thức cơng suất tác dụng công suất phản kháng biến tần pha nối lưới viết sau: ìï ïï P = ï í ïï ïï Q = ïỵ U m I m1 cos j U m I m1 sin j (3.14) Trong Um Im1 giá trị biên độ điện áp lưới thành phần dòng điện lưới, φ1 góc lệch pha hai thành phần Ta chuyển cơng suất sang hệ thống pha trực giao từ tín hiệu pha thơng thường Sau đó, ứng dụng lý thuyết công suất tức thời phát triển phương pháp để điều khiển phân tích hệ thống điện pha Do chất hệ thống pha, nên để có pha trực giao cần phải tạo pha ảo, tín hiệu pha ảo vng pha với tín hiệu pha thực, lý mà chúng gọi hệ thống ảo pha Từ biểu diễn hệ thống chuyển đổi lượng điện tử pha hệ qui chiếu tĩnh (αβ) hệ qui chiếu đồng (dq) Các chuyển đổi đơn giản dễ dàng phân tích, đặc biệt cần xác định công suất tác dụng phản kháng tức thời hệ thống pha Có nhiều cách tạo thành phần tín hiệu thứ hai trực giao để thực hệ thống ảo hai pha Đơn giản dịch góc pha tín hiệu pha góc 90 0, sử dụng tích phân bậc hai tổng quát (SOGI -second-order generalised integrator) [5] Tương tự hệ thống ba pha, công suất tác dụng phản kháng tức thời hệ qui chiếu tĩnh , định nghĩa: épù ê ú= êëqú û éua ê b ë u b ùéia ù úê ú ú - ua úê ûëib û (3.15) Áp dụng (3.14) cho điện áp lưới (u) dòng điện (i) mà khơng kể đến thành phần sóng hài, ta xây dựng hệ thống hai pha trực giao sau: ïìï u a = U m sin wt í ïïỵ u b = - U m coswt (3.16) ìï ia = I m1 sin (wt - j )+ å ia n ïï n = 3,5, ïí ïï i b = - I m1cos (wt - j )+ å i bn ïï n = 3,5, ỵ (3.17) Trong biểu thức (3.17) in in thành phần sóng hài bậc n dòng điện Từ (3.15),(3.16),(3.17) sau vài biến đổi đơn giản ta thu được: ìï p = U m I m1 cos j + ïï ïï + U m å (ia n sin wt - i bn coswt ) ïï n = 3,5, ïí ïï q = U m I m1 sin j + ïï ïï + U m å (- ia n coswt - i bn sin wt ) ïïỵ n = 3,5, (3.18) Tham khảo (3.14) ta có: ìï p=2P+U (iαn sinωt-iβn cosωt) m å ïï n=3,5, ï í ïï q=2Q+U (-iαn cosωt-iβn sinωt ) m å ïï n=3,5, ỵ (3.19) Giả thiết p q giá trị trung bình p q tương ứng, nhận chúng cách sử dụng lọc thơng thấp lý tưởng, ta có: ìï p ïï P = ï í ïï q ïï Q = ïỵ (3.20) Trong thực tế, sơ đồ chuyển đổi sử dụng điều chế độ rộng xung, dễ dàng loại bỏ gợn sóng dòng điện khỏi cơng suất tức thời công thức (12) lọc thông thấp (LPF) có tần số cắt thấp so với tần số chuyển đổi Biểu thức (13) cho thấy giá trị cơng suất ảo tức thời tính tốn cho hệ thống hai pha ảo lần giá trị hệ thống pha thực tế Do công suất hệ thống ảo pha có quan hệ trực tiếp với công suất thực pha nên ta sử dụng chúng để điều khiển cơng suất tác dụng phản kháng hệ thống pha 3.3.3 Cấu trúc mạch điều khiển công suất Như phân tích trên, phần xây dựng cấu trúc mạch điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng cho hệ thống biến tần nối lưới pha cách chuyển chúng sang hệ thống ảo pha sử dụng kết tính tốn hệ thống pha trình bày tài liệu [2] Quan hệ thông số trạng thái hình 3.3 biểu diễn dạng phương trình vi phân: e= L di + Ri + u dt Chuyển sang hệ qui chiếu d,q ta có: (3.21) ed eq =L id u d - id d id + wL +R + iq u q iq dt i q id,ref θ iα α,β i 900 id d,q - PI ud - ed Lω iq iβ iq,ref Lω PI - eq uq Hình 3.5: Vòng điều khiển dòng điện Sau biến đổi ta được: ìï d ïï ed = L i d - wLi q + Ri d + u d dt ïí ïï d ïï eq = L i q + wLi d + Ri q + u q dt ïỵ (3.22) Từ (3.22) ta có cấu trúc mạch điều khiển dòng điện hình 3.6 Đầu vào dòng điện tham chiếu so sánh với dòng điện đo lường từ lưới Sai số chúng đưa qua điều khiển PI đưa đến tổng hợp Kết ta thu giá trị điện áp yêu cầu hệ qui chiếu d,q ed eq Các giá trị điện áp chuyển đổi sang hệ qui chiếu α,β, thành phần e α đưa vào điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) để tạo xung điều khiển khóa chuyển mạch Các dòng điện tham chiếu id,ref, iq,ref tổng hợp từ mạch vòng điều khiển cơng suất có cấu trúc hình 3.6 id max pre f - id,ref PI P -id max iq max Qref - iq,ref PI Q -iq max Hình 3.6: Bộ điều khiển cơng suất Công suất tác dụng công suất phản kháng chuyển từ biến tần vào lưới so sánh với công suất đặt tương ứng Sai lệch chúng đưa qua PI, đầu PI dòng điện tham chiếu P Q tính tốn ước lượng theo (3.19) U L i R + DC E C - AC DC SPW PLL 900 M uβ p ud 900 iβ iα uα α,β d,q uq θ Ước lượng p &q pref id iq id α,β d,q iq PI - ud id,ref qref q - iq,ref - PI PI Lω - Lω ed eα d,q eq α,β - eβ θ PI uq Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất biến tần pha nối lưới Sơ đồ khối hệ thống điều khiển biến tần pha nối lưới hình 3.7 Trong điều khiển theo định hướng điện áp sai lệch thành phần tác dụng phản kháng dòng điện giá trị đặt chúng đưa vào điều khiển PI hệ qui chiếu đồng bộ, tạo điện áp tham chiếu cho chuyển đổi Điện áp sau áp dụng cho điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) Để tạo tín hiệu trực giao, ta sử dụng dịch góc pha 900 sử dụng tích phân bậc hai tổng quát (SOGI) Trong phương pháp này, cần phải đo lường điện áp dòng điện lưới, nhược điểm chúng 3.3.4 Kết mô Để xác minh hiệu lực tính khả thi phương pháp điều khiển đề xuất, ta tiến hành mô Matlab-Simulink Psim Các thông số mô sau: - Tần số chuyển đổi (kHz) 20 - Điện cảm lọc (mH) 3,5 - Điện trở lọc (Ω) 0,2 - Hiệu dụng điện áp xoay chiều (V) 220 - Tần số điện áp xoay chiều (Hz) 50 - Điện áp chiều DC-link (V) 400 Các kết mơ hình 3.8, 3.9, 3.10 Trong hình 3.8 đáp ứng động cơng suất tác dụng; hình 3.9 đáp ứng động cơng suất phản kháng hình 3.10 dạng sóng điện áp 500 0 0.05 0.1 0.15 T(giay) 0.2 0.25 Hình 3.8: Cơng suất tác dụng 20 Q(Var) P(W) 1000 10 0 0.05 0.1 0.15 T(giay) 0.2 Hình 3.9: Cơng suất phản kháng 0.25 Hình 3.10: Dạng sóng điện áp 3.3.5 Nhận xét Kết mơ cho thấy đáp ứng động hệ thống, dạng sóng điện áp dòng điện đáp ứng yêu cầu Song số nhược điểm như: thời gian độ tương đối dài, cần phải đo lường điện áp dòng điện dẫn đến sai số lớn, nhiễu sóng hài giai đoạn độ lớn Đây vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu để tìm giải pháp khắc phục 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày phương pháp điều khiển dòng cơng suất hệ thống tích hợp điện gió điện mặt trời nối lưới, là: Điều khiển dòng cơng suất thơng qua điều khiển dòng điện điều khiển trực tiếp công suất tác dụng phản kháng Các kết mô cho thấy hiệu tính khả thi phương pháp điều khiển KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu xây dựng phương án tích hợp nguồn lượng tái tạo ( tập trung vào lượng gió, mặt trời…) Đồng thời đề xuất giái pháp đồng hóa lưới điều khiển cơng suất hệ thống Với mục tiêu đề ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Tổng quan lượng mặt trời Chương 2: Hệ thống tích hợp điện gió điện mặt trời nối lưới Chương 3: Điều khiển công suất hệ thống tích hợp điện mặt trời điện gió Kết luận văn đạt là: - Xây dựng hệ thống điện gió điện mặt trời nối lưới - Thiết kế điều khiển cho hệ thống phương pháp điều khiển dòng cơng suất thơng qua điều khiển dòng điện điều khiển trực tiếp công suất tác dụng phản kháng Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản suất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lại Khắc Lãi, Dương Quốc Hưng, Trần Thị Thanh Hải "Thiết kế điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép" Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên số 10 (2011); Tr 219-226 [2] Lai Khac Lai "Fuzzy Logic Controller for Grid-Connected single phase Inverter" Journal of science and technology - Thai Nguyen University No:02 (2013) [3] Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải, Trần Gia Khánh "Điều khiển hệ thống lai lượng gió mặt trời lưới điện thơng minh" Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Thái Nguyên số 4, tập 118 (2014); Tr 15-21 [4] Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải, Lại Thị Thanh Hoa "Điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng biến tần pha nối lưới" Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Thái Nguyên số 8, tập 122 (2014); Tr 149-154 [5] Lại Khắc Lãi công “Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ mã số B2011-TN01-01” [6] E Miller, “Smart grids – a smart idea?,” Renewable Energy Focus Magazine, vol 10, pp 62-67, Sep.-Oct 2009 [7] H Yang, Z Wei, and L Chengzh, “Optimal design and techno-economic analysis of a hybrid solar-wind power generation system,” Applied Energy, vol 86, pp 163-169, Feb 2009 [8] S Dihrab, and K Sopian, “Electricity generation of hybrid PV/wind systems in Iraq,” Renewable Energy, vol 35, pp 1303-1307, Jun 2010 [9] S.K Kim, J.H Jeon, C.H Cho, E.S Kim, and J.B Ahn, “Modeling and simulation of a grid-connected PV generation system for electromagnetic transient analysis, ”Solar Energy, vol.83, pp 664-678, May 2009 [10] H.L Tsai, “Insolation-oriented model of photovoltaic module using Matlab/Simulink,” Solar Energy, vol 84, pp 1318-1326, July 2010 [11] J.A Gow, and C.D Manning, “Development of a photovoltaic array model for use in power-electronics simulation studies,” IEE Proceedings- Electric Power Applications, vol 146, pp 193-199, Mar 1999 [12] M.J Khan, and M.T Iqbal, “Dynamic modeling and simulation of a small wind fuel cell hybrid energy system,” Renewable Energy, vol 30, pp 421439, Mar 2005 [13] M.G Villalva, J.R Gazoli, and E.R Filho, “Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 24, pp 1198 - 1208, May 2009 [14] E Muljadi, C.P Butterfield, “Pitch-controlled variable-speed wind turbine generation,” IEEE Trans Industry Appl., vol 37, pp 240–246, Jan.-Feb 2001 [15] Crowhurst, B., El-Saadany, E.F., El Chaar, L., Lamont, L.A.: ‘Single-phase grid-tie inverter control using DQ transform for active and reactive load power compensation’ Proc Power and Energy (Pecon), 2010, pp 489–494 [16] Ichikawa, R., Funato, H., Nemoto, K.: ‘Experimental verification of singlephase utility interface inverter based on digital hysteresis current controller’ Int Conf Electrical Machines and Systems, 2011, pp 1–6 [17] Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Phan Quang An, Pham Dinh Truc and Nguyen Huu Phuc: ‘Active and reactive power controler for single-phase grid-connected photovoltaic systems’, www4.hcmut.edu.vn/ /HCMUT_VN [18] Gong, J.W., Chen, B.F., Li, P., Liu, F., Zha, X.M.: ‘Feedback decoupling and distortion correction based reactive compensation control for single-phase inverter’ Proc Power Electronics and Drive Systems (PEDS), 2009, pp 1454–1459 ... điều khiển hệ thống tích hợp điện gió mặt trời nối lưới Để đảm bảo cho hệ thống tích hợp lượng gió mặt trời nối lưới làm việc an tồn, ổn định, có hiệu suất cao cần phải có điều khiển sau: - Điều. .. QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 TỔNG QUAN 1.1.1 Khái niệm lượng tái tạo Năng lượng tái tạo hiểu nguồn lượng hay phương pháp khai thác lượng mà đo chuẩn mực người vơ hạn, theo hai nghĩa: Hoặc lượng. .. Phân loại lượng tái tạo Việt Nam có tiềm phát triển nguồn Năng lượng tái tạo sẵn có Những nguồn Năng lượng tái tạo khai thác sử dụng thực tế nhận diện đến gồm: thủy điện nhỏ, lượng gió, lượng sinh