Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin mặt trời

Nài viết Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin mặt trời trình bày: Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn pin mặt trời để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới Lê Kim Anh NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƢỚI SỬ DỤNG NGUỒN PIN MẶT TRỜI Lê Kim Anh Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Tuy Hòa TĨM TẮT Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu 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 nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử cơng suất có ưu điểm như: hệ thống nối lưới chủ động nguồn 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 nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử công suất, nhằm trì cơng 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, pin mặt trời 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 pin mặt trời nói riêng dạng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng nước ta lớn Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn lượng pin mặt trời cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây nhiễm mơi 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 Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch chiều, đồng thời đưa điện áp (AC) nối lưới Các biến đổi điện tử cơng suất giữ vai trò quan trọng hệ thống điều khiển lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời 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 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hệ thống điều khiển nối lưới nguồn điện phân tán (Distributed Energy Resources – DER) nói chung nguồn pin mặt trời nói riêng Theo [1], hệ thống điều khiển nguồn pin mặt trời bao gồm thành phần bản, hình Các biến đổi điện tử cơng suất thực 90 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 5(30)-2016 nhiệm vụ sau: Pin mặt trời cho điện áp chiều (DC) Tất điện áp chiều (DC) qua nghịch lưu (DC/AC) đưa điện áp (AC) nối lưới Hình Sơ đồ điều khiển nguồn pin mặt trời 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 Để ổn định điện áp đầu cho biến U_in đổi đòi hỏi điều khiển phải hoạt động cách tin cậy, điện áp đầu pin mặt trời khơng 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 Ngắt DC/DC (Buck – Boots Converter) hình Đóng 2, với giản đồ xung đóng ngắt hình 2.1.1 Khi Switch trạng thái đóng Ta xét khoảng thời gian t = đến t Ngắt = DT, điện áp cuộn dây L Ui Khi Đóng cơng suất cuộn dây L tính sau: Pin  T DT 0 U i I L dt  T U i Hình Sơ đồ biến đổi DC/DC (a) D = 0.5 DT I Tải L (b) D < 0.5 (c) D > 0.5 Hình Xung đóng ngắt biến đổi DC/DC dt (1) Với điều kiện dòng qua cuộn dây L số, công suất qua cuộn dây L viết lại sau: Pin  Ui IL T DT  dt  U i I L D (2) 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: 91 Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới Lê Kim Anh T Pout  T 1 U I dt  L L  U I L dt T DT T DT (3) Với điều kiện lý tưởng U0 IL số lúc cơng suất đầu viết lại sau: Pout  U I L (T  DT )  U I L (1  D) T (4) Từ phương trình (2) (4) ta viết lại sau: U0  D     Ui 1 D  (5) 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 2.2 Bộ nghịch lƣu Theo [3], nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp chiều thành điện áp xoay chiều ba pha thay đổi tần số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt van, hình Ud/2 Ud S1 S3 S5 Ud/2 S4 S6 S2 U30 U10 U20 R1 R2 R3 L1 L2 L3 Ut1 Ut3 Ut2 N Hình Sơ đồ nghịch lưu Ta giả thiết tải pha đối xứng nên điện áp: ut  ut  u t  Hình Giản đồ xung đóng ngắt nghịch lưu (6) Gọi N điểm nút tải pha dạng hình (Y) Dựa vào sơ đồ hình 4, điện áp pha tải tính sau: u t1  u10  u N u t  u 20  u N u t  u 30  u NO 92 (7) Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 5(30)-2016 u10  u 20  u30 (8) Thay biểu thức (8) vào biểu thức (7) ta có phương trình điện áp pha tải Với u N  sau: 2u10  u 20  u 30 2u 20  u 30  u10 ut  2u 30  u10  u 20 ut  Điện áp dây tải tính sau: ut1  u1  u2 u t1  (9) ut  u2  u3 (10) ut  u3  u1O Thành phần điện áp thứ tự khơng bỏ qua giả thiết tải đối xứng, nên điện áp thứ tự khơng khơng 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 khơng chạy vòng, xuất đường dẫn nó, ta khơng thể bỏ qua dòng điện thứ tự khơng 2.3 Cấu trúc điều khiển cho nghịch lƣu Theo [4], giá trị đầu điện áp qua chỉnh lưu nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa độ dq tính sau:   K   Vd*   K dp  di  id*  id  ed  Liq (11) * S  Vdc  K qi  *   iq  iq  eq  Lid (12) V   K qp  S   ia ib Mặt khác theo [5], hàm truyền ic mạch lọc tính sau:  * q G f ( s)  i( s)  u ( s) R  SL 1  1.5Ts S i * d PI_i PI_u  Vd* id abc /dq PWM iq (13) i q* (14) Vq* PI_i Hàm truyền PWM Gd ( s )  ed Vdc eq Hình Sơ đồ điều khiển cho mạch vòng dòng điện Từ biểu thức (11), (12), (13), (14) cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu mô tả, hình 93 Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới Lê Kim Anh MƠ HÌNH TOÁN HỌC PIN MẶT TRỜI VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Công suất pin (W) * 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 Dòng điện pin (A) 3.1 Mơ hình tốn học 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 Điện áp pin (V) xảy P-V cực đại, tức PHình Đặc tính làm việc pin mặt trời V = Pmax thời điểm (Imax,Vmax) gọi Ns NsRs/Rsh điểm cực đại MPP (Maximum Point Power) Hệ bám điểm công suất cực đại + MPPT (Maximum Point Power Tracking) N I p ph V NsRs/Rsh sử dụng để đảm bảo pin mặt trời luôn làm việc điểm MPP bất chấp tải Np nối vào pin Hình Dòng điện modul pin * Dòng điện đầu pin theo [6] tính sau:   q(V  IRs    V  IRs   1   I  I ph  I s exp    KTc A    Rsh    (15) 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 (15) dòng quang điện phụ thuộc vào lượng mặt trời nhiệt độ làm việc pin, đó:   I ph  I sc  K I (Tc  Tref ) H (16) Với: Isc: dòng ngắn mạch nhiệt độ 25oC, 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 Ở giá trị dòng điện bão hòa pin với nhiệt độ pin tính sau:  qEG (Tc  Tref  T (17) I s  I RS ( c ) exp   Tref  Tref Tc 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 tưởng 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 Vậy dòng điện modul pin là: 94 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 5(30)-2016   V IRs    N pV   IRs   q N  N    N p   (18) I  N p I ph  N p I s exp  s  1   s      kTc A Rsh              Từ biểu thức (15), (16), (17), (18) phân tích trên, mơ hình pin mặt trời xây dựng Matlab/Simulink với ngõ vào dòng điện, nhiệt độ Ngõ công suất điện áp pin, hình Hình Mơ hình pin mặt trời(PV) 3.2 Phƣơng pháp điều khiển bám điểm công suất cực đại Hiện có nhiều kỹ thuật để điều khiển pin mặt trời theo phương pháp bám điểm công suất cực đại ( Maximum Point Power Tracking, MPPT) Ở kỹ thuật điều khiển có ưu nhược điểm khác Hình 10 sơ đồ nguyên lý điều khiển trực phương pháp MPPT Pin mặt trời DC/DC (+) Thuật toán MPPT Start Tải P1 = Idc1 Vdc1 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực phương pháp MPPT D = D1, sense Vdc1, Idc1, Vdc2, Idc2 P1 – P2 = P1 – P2 >0 Vdc1–Vdc2 >0 D = D+ΔD Hình 12 Điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời D = D -ΔD Vdc1–Vdc2 < D = D -ΔD D = D+ΔD Return Hình 11 Lưu đồ thuật tốn P& O điều khiển trực phương pháp MPPT Các kỹ thuật phân thành nhóm sau: kỹ thuật tìm kiếm kỹ thuật tìm kiếm dựa mơ hình Ở kỹ thuật tìm kiếm dễ thực đòi hỏi số bước lớn hội tụ điểm cực đại (Maximum Point Power, MPP) hội tụ nhanh điểm MPP với kỹ thuật tìm kiếm dựa mơ hình Hình 11, lưu đồ thuật tốn P&O điều khiển trực phương pháp MPPT 95 Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới Lê Kim Anh XÂY DỰNG MƠ HÌNH TRÊN MATLAB – SIMULINK 4.1 Xây dựng mơ hình Matlab – Simulink Mơ hình xây dựng dựa sơ đồ cấu trúc điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời ứng dụng biến đổi điện tử công suất phân tích hình 1, mục Sơ đồ mơ matlab – simulink hình 12 4.2 Kết mô Matlab – Simulink 500 1200 1000 800 Selected signal: cycles FFT window (in red): cycles 600 400 100 200 -1000 0.02 0.04 0.01 0.06 0.02 0.03 0.08 0.04 0.1 0.12 0.05 Time (s) 0.06 0.14 0.07 0.16 0.08 0.09 0.18 0.2 0.1 Hình 13 Điện áp DC biến đổi DC/DC (V) -500 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 14 Điện áp nghịch lưu (V) Mag (% of Fundamental) Fundamental (50Hz) = 40.2 , THD= 4.95% 60 15 50 Điện áp xác lập (V) 10 40 30 20 10 Harmonic order 12 14 16 18 Q độ 20 Hình 15 Đặc tính sóng hài dòng điện Dòng điện xác lập (A) Quá độ 10 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.18 0.2 Hình 16 Dòng điện điện áp pin mặt trời 12000 10000 400 8000 Đóng tải nối lưới 6000 200 4000 Không tải 2000 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -200 Hình 17 Cơng suất pin (W) -400 40 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 20 Hình 18 Điện áp nối lưới Uabc (V) -20 -40 -60 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 19 Dòng điện nối lưới Iabc (A) Nhận xét: qua kết mô ta thấy, thời điểm t ≤ 0.02s, hệ thống làm việc không tải, thời điểm t > 0.02s, hệ thống điều khiển nối lưới bắt đầu phát công suất công suất đạt giá trị lớn thời điểm t = 0.08s, lúc đồng với lưới Giá trị dòng điện, điện áp cơng suất đầu giá trị đặt, hệ thống làm việc trạng thái ổn định 96 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 5(30)-2016 KẾT LUẬN Kết mô báo giải vấn đề: nguồn pin mặt trời kết nối với lưới điện sử dụng giải thuật điều khiển MPPT phát huy tối đa công suất phát hệ thống, bất chấp tải nối với hệ thống Hệ thống sử dụng biến đổi điện tử công suất tải thay đổi giá trị dòng điện, điện áp sóng hài điều thỏa mãn theo tiêu chuẩn IEEE 1547 Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển nguồn pin mặt trời thông qua biến đổi điện tử công suất nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn lượng tái tạo RESEARCH GRID CONNECTION CONTROL SYSTEM OF SOLAR ENERGY SOURCES Le Kim Anh ABSTRACT The research on using and exploiting effectively solar energy 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 solar energy sources have some advantages such as active 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 solar power system using power electronic converters to maintain maximum capacity of the systems with a disregard of connected power loads TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] O.C Onar, M Uzunoglu, M.S Alam (2006), Dynamic modeling, design and simulation of a wind/fuel cell/ultra -capacitor-based hybrid power generation system, Journal of Power Sources 161, 707 – 722 [2] Bengt Johansson (2003), Improved Models for DC-DC Converters, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation Lund University [3] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM [4] Lê Kim Anh (2013), Ứng dụng biến đổi điện tử công suất điều khiển nối lưới nguồn phân tán , Tạp chí Khoa học (Trường Đại học Cần Thơ), số 28 [5] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc Huy (2012), Mơ hình điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ (Đại Học Đà Nẵng), số 11(60)  Ngày nhận bài: 7/8/2016  Chấp nhận đăng: 29/9/2016 Liên hệ: Lê Kim Anh Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Tuy Hòa Email: tdhlekimanh@gmail.com 97 ... báo giải vấn đề: nguồn pin mặt trời kết nối với lưới điện sử dụng giải thuật điều khiển MPPT phát huy tối đa công suất phát hệ thống, bất chấp tải nối với hệ thống Hệ thống sử dụng biến đổi điện... điều thỏa mãn theo tiêu chuẩn IEEE 1547 Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển nguồn pin mặt trời thông qua biến đổi điện tử công suất nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối. .. đồ điều khiển cho mạch vòng dòng điện Từ biểu thức (11), (12), (13), (14) cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu mơ tả, hình 93 Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới Lê Kim Anh MƠ HÌNH TỐN HỌC PIN