Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết đã đưa ra được kết quả mô phỏng điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống.
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO TUABIN GIÓ VÀ NGUỒN PIN MẶT TRỜI Lê Thị Kim Anh* Xin Ai ** TÓM TẮT Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nguồn lượng gió nguồn pin mặt trời để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cạn kiệt, gây nhiễm mơi trường Nối lưới tuabin gió nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử cơng suất có ưu điểm như: Hệ thống nối lưới chủ động nguồn nhiên liệu đầu vào, khả truyền lượng theo hướng Kết hợp với mạch lọc giảm sóng hài qua lưới loại trừ sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện Bài báo đưa kết mơ điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử cơng suất, nh̀m 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, lượng tái tạo APPLYING OF POWER ELECTRONIC CONVERTERS IN GRID -CONNECTED CONTROL OF WIND TURBINE AND SOLAR CELL SOURCES ABSTRACT The research on using and exploiting effectively wind energy and solar cell sources to generate electricity is meaningful to reduce the climate change They also reduce dependence of power demand on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and causing environmental pollution Using power electronic converters for grid connecting of wind turbine and solar cell sources have some advantages such as active fuel input and capability of power transferring in both directions The combination of harmonic ilter circuits to ilter high order harmonics out of injecting to grid will have a signiical effect on power quality improving The article gives the result of modulating grid-connected control of an integrated wind turbine and solar cell power system using power electronic converters to maintain maximum capacity of the systems with a disregard of connected power loads Key words: Power Electronic Converter, Grid-connected control, renewable energy * GV Khoa điện – điện tử, Trường cao đẳng cơng nghiệp Tuy Hòa Tỉnh Phú Yên GV Trường Đại Học Điện Lực Hoa Bắc, Trung Quốc Email: tdhlekimanh@gmail.com ** 56 Ứng dụng Đặt vấn đề Ngày nay, với phát mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng Nguồn lượng tái tạo nói chung, nguồn lượng gió nguồn pin mặt trời nói riêng dạng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng gió nguồn pin mặt trời nước ta lớn.Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn lượng gió nguồn pin mặt trời cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây 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, chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện dùng điều chỉnh hòa đồng cho máy phát điện tách máy phát điện khỏi lưới cần thiết Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch chiều trung gian, đồng thời đưa điện áp (AC) nối lưới Các biến đổi điện tử công suất giữ vai trò quan trọng hệ thống điều khiển lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) Hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió với nguồn pin mặt trời 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 biến đổi điện tử công suất Hệ thống điều khiển nối lưới nguồn điện phân tán (Distributed Energy Resources – DER) nói chung tuabin gió với nguồn pin mặt trời nói riêng Theo [1], tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous generator - PMSG) kết hợp với nguồn pin mặt trời (Photovoltaic cell) hệ thống bao gồm thành phần bản, hình Các biến đổi điện tử cơng suất thực nhiệm vụ sau: Tuabin gió qua máy phát điện cho điện áp (AC), qua chỉnh lưu (AC/DC) đưa điện áp chiều (DC) Pin mặt trời cho điện áp chiều (DC) Tất điện áp chiều (DC) qua nghịch lưu (DC/AC) đưa điện áp (AC) nối lưới Hình Điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử cơng suất 57 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 2.1 Bộ biến đổi trạng thái DC/DC Mục đích biến đổi trạng thái DC/DC tạo điện áp chiều (DC) điều chỉnh để cung cấp cho tải thay đổi, biến đổi trạng thái DC/DC giữ vai trò quan trọng hệ thống điều khiển lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) Để ổn định điện áp đầu cho biến đổi đòi hỏi điều khiển phải hoạt động cách tin cậy, điện áp đầu pin mặt trời khơng đủ lớn để cung cấp chođầu vào nghịch lưu (DC/AC) Do ta phải sử dụng biến đổi trạng thái DC/DC để nâng điện áp đầu đạt yêu cầu Theo [2], biến đổi trạng thái DC/DC (Buck – Boots Converter) hình 2, với giản đồ xung đóng ngắt hình Hình Sơ đồ biến đổi DC/DC [2] Hình Giản đồ xung đóng ngắt biến đổi DC/DC [2] 2.1.1 Khi Switch trạng thái đóng Ta xét khoảng thời gian t = đến t = DT, điện áp cn dây L Ui Khi cơng suất cuộn dây L tính sau: ∫0 U i I L dt = T U i Pin = T D T ∫I D T L d t (1) Với điều kiện dòng qua cuộn dây L số, công suất qua cuộn dây L viết lại sau: Pin = UiIL T ∫ dt D T = 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: Pout = T ∫0 U L I L dt = T D T ∫U D T ILd t (3) Với điều kiện lý tưởng U0 IL số lúc cơng suất đầu viết lại sau: 58 Ứng dụng Pout = U I L (T − D T ) = U I L (1 − D) (4) T Từ phương trình (2) (4) ta viết lại sau: U0 D (5) = − Ui 1− D 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 ch̉nh lưu nghịch lưu Việc nghiên cứu chỉnh lưu (AC/DC) nghịch lưu (DC/AC) điều chế theo phương pháp độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM) điều chế theo vectơ không gian (Space Vector Modulation) nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu năm gần với ưu điểm vượt trội như: khả truyền lượng theo hướng, với góc điều khiển thay đổi được, dung lượng sóng hài thấp v.v 2.2.1 Mơ hình tốn học cho chỉnh lưu Sơ đồ chỉnh lưu điều chế theo phương pháp độ rộng xung (PWM), hình Theo [3], để đạt mục tiêu điều khiển thành phần cơng suất phát vào lưới từ tuabin gió pin mặt trời v.v có nhiều phương pháp để điều khiển cho chỉnh lưu PWM phương pháp: VOC, DPC, VFVOC, VFDP Dựa vào sơ đồ hình 4, ta xây dựng biểu thức điện áp chỉnh lưu PWM sau: Hình Sơ đồ dòng điện điện áp chỉnh lưu [3] Biểu thức (6) chuyển sang hệ tọa độ dq viết lại sau: 2.2.2 Mơ hình tốn học cho nghịch lưu Theo [4], nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp môt chiều thành điện áp xoay chiều ba pha thay đổi tần số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt van, hình 59 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Ta giả thiết tải pha đối xứng nên điện áp: ut1 + ut + ut = (8) Gọi N điểm nút tải pha dạng hình (Y) Dựa vào sơ đồ hình 5, điện áp pha tải tính sau: { u t1 = u10 − u N u t = u 20 − u N u t = u 30 − u N O (9) u10 + u 20 + u30 (10) Thay biểu thức (10) vào biểu thức (9) ta có phương trình điện áp pha tải sau: Với u N = { 2u10 − u 20 − u 30 2u 20 − u 30 − u10 = 2u 30 − u10 − u 20 = u t1 = ut ut (11) Điện áp dây tải tính sau: { ut12 = u10 − u20 ut 23 = u20 − u30 ut 31 = u30 − u1O 60 (12) Ứng dụng Thành phần điện áp thứ tự khơng bỏ qua giả thiết tải đối xứng, nên điện áp thứ tự không không tạo dòng điện Tuy nhiên trường hợp có hai nghịch lưu nối song song với điểm nối trực tiếp phía xoay chiều chiều gây dòng điện thứ tự khơng chạy vòng xuất đường dẫn nó, ta khơng thể bỏ qua dòng điện thứ tự khơng y Tác hại sóng hài bậc cao đến nghịch lưu Biên độ sóng hài xác định dựa theo khai triển chuỗi Fourier điện áp ngõ sau: ut = U tAV + ∑ ak sin(k x) + ∑ bk cos(k x) (13) ∞ ∞ k =1 k =1 ak = Với: bk = U tAV Biên độ sóng hài bậc k: Ak π ∫u 2π t ∫u 2π π ( t cos(k x)d x = 2π Ak = a sin( k x) d x ∫ u dx 2π t +b k k ) (14) Thơng thường dạng áp tải có tính chất hàm lẽ, đó: bk=0, Ak = ak Biên độ sóng hài Ut(1)m: U t (1) m = A1 = π Và biên độ sóng hài bậc k: U t ( k ) m = Ak = ∫u 2π π t sin x.d x (15) ∫u 2π t sin( k x) d x (16) 2.2.3 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu nghịch lưu Theo [5], giá trị đầu điện áp qua chỉnh lưu nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa ( ) K i q (17) độ dq xác định sau: Vd* = − K dp + di id* − id + ed + ωL S K qi Vq* = − K qp + S ( ) * iq − iq + eq − ωLi d (18) 61 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Hình Sơ đồ điều khiển cho mạch vòng dòng điện [5] Hình Điều khiển mạch vòng dòng điện [5] Mơ hình tuabin gió pin mặt trời 3.1 Mơ hình tuabin gió Theo [6], cơng suất tuabin gió tính theo biểu thức: Pm = C p (λ , b ) ρA v (19) Trong đó: Pm: Cơng suất đầu tuabin (W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi lượng (là tỷ số tốc độ đầu cánh λ góc cánh β); A: Tiết diện vòng quay cánh quạt (m2); ρ: Mật độ khơng khí, ρ = 1.255 (kg/m3) Từ biểu thức (19) ta thấy vận tốc gió yếu tố quan trọng công suất; công suất đầu tăng theo lũy thừa vận tốc Hệ số biến đổi lượng Cp(λ, β) biểu thức (19) tính sau: C p (λ , b ) = 0.5176( 116 λi − 0.4 b − 5)e −21 λi + 0.0068λ (20) 0.035 (21) với = − b 1+ b λi λ + 0.0 Rω y Như ta biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió tốc độ là: λ = ω tốc độ v quay tuabin, R bán kính tuabin, v vận tốc gió Do mơmen tuabin gió ω (22) tính sau: T = Pm = π ρ RC m ω p λ3 Mặt khác tuabin gió vận hành theo quy tắc điều khiển khác tùy thuộc vào tốc độ gió Đường cong biểu diễn mối quan Pm tốc độ gió, hình Từ biểu thức (19), (20), (21), (22) phân tích trên, mơ hình tuabin gió xây dựng Matlab/Simulink với thơng số đầu vào tốc độ gió, tốc độ máy phát điện thông số đầu mômen, hình 10 62 Ứng dụng Hình Đường cong mối quan Pm tốc độ gió Hình 10 Mơ hình tuabin gió 3.2 Mơ hình máy phát điện (PMSG) Mơ hình máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) có hai loại hệ trục tọa độ sử dụng: hệ tọa độ ab gắn cố định với stator hệ tọa độ dq gọi hệ tọa độ tựa hướng từ thông rotor, hình 11 Theo [7], phương trình dòng điện điện áp PMSG biểu diển hệ tọa độ dq sau: L di sd 1 u sd (23) = isd + ω s sq isq + Lsd Lsd d t Tsd di sq dt = −ω s ψp Lsd 1 (24) i sd − i sq + u sq − ω s Lsq Tsq Lsq Lsq Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo vị trí đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo vị trí ngang cực; ψ p từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq số thời gian Stator vị trí đỉnh cực Phương trình mơmen tính sau: m = P ψ i + i i ( L − L ) (25) M c p sq sd sq sd sq [ ] Để xây dựng mơ hình PMSG matlab /simulink dựa vào biểu thức (23),(24),(25), hình 12 Hình 11 Hệ trục tọa độ αβ dq Hình 12 Mơ hình máy phát điện PMSG 63 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 3.3 Mơ hình pin mặt tr̀i (PV) * 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 13 Hình 13 Đặc tính làm việc pin mặt trời Hình 14 Sơ đồ tương đương 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 13 xảy P-V cực đại, tức P-V = Pmax thời điểm (Imax,Vmax) gọi điểm cực đại MPP (Maximum Point Power) Hệ bám điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Point Power Tracking) sử dụng để đảm bảo pin mặt trời luôn làm việc điểm MPP bất chấp tải nối vào pin * Dòng điện đầu pin theo [8], tính sau: q(V + IR s V + IR s − 1 − I = I ph − I s exp K T A c Rsh (26) Trong đó: q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k: số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K, Is: dòng điện bão hòa pin, Iph: dòng quang điện, Tc: nhiệt độ làm việc pin, Rsh : điện trở shunt, Rs : điện trở pin, A: hệ số lý tưởng Theo biểu thức (26) dòng quang điện phụ thuộc vào lượng mặt trời nhiệt độ làm việc pin đó: [ ] I ph = I sc + K I (Tc − Tref ) H (27) Với: Isc: dòng ngắn mạch nhiệt độ 250C, 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: I s = I RS ( q E G (Tc − Tref Tc ) exp Tref Tref Tc kA (28) Trong đó: IRS: dòng bão hòa ngược bề mặt nhiệt độ xạ mặt trời, EG: lượng vùng cấp chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng công nghệ làm pin Mặt khác pin mặt trời có điện áp khoảng 0,6V, muốn có điện áp làm việc cao ta mắc nối tiếp pin, muốn có dòng điện lớn mắc song song, hình 15 Vậy dòng điện modul pin là: (29) 64 Ứng dụng Hình15 Dòng điện modul pin Từ biểu thức (26), (27), (28), (29) 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 16 Hình 16 Mơ hình pin mặt trời(PV) Mô Matlab – Simulink Hình 17 Điều khiền nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử cơng suất y Kết mơ Hình 18 Điện áp DC biến đổi DC/DC (V) Hình 19 Điện áp DC chỉnh lưu (V) 65 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Hình 20 Điện áp AC chỉnh lưu (V) Hình 21 Điện áp nghịch lưu (V) Hình 22.Cơng suất pin(W) Hình 23 Dòng điện điện áp pin Hình 24 Cơng suất tuabin gió(W) Hình 25 Cơng suất tổng ( tuabin gió+ pin)(W) Hình 26 Điện áp ngõ Uabc(V) Hình 27 Dòng điện ngõ Iabc(A) Hình 28 Điện áp nối lưới Uabc(V) Hình 29 Dòng điện nối lưới Iabc(A) Kết luận Điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời ứng dụng biến đổi điện tử công suất, kết hợp với giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT), phát huy đối đa công suất phát ra, đồng thời công suất pin mặt trời (PV) thu đạt giá trị cực đại Tại thời điểm t = 0.02s đóng tải, dòng điện điện áp đầu giá trị đặt hệ thống 66 Ứng dụng điều khiển làm việc trạng thái ổn định Mơ hình nối lưới thông qua máy biến áp 400V/22kV đường dây tải điện Điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời ứng dụng biến đổi điện tử công suất nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn phân tán TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodriguez, 2011, Gird converters for Photovoltaic and Wind Power Systems, A John Wiley and sons, Ltd, Publication [2] Bengt Johansson, 2003, Improved Models for DC-DC Converters, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation Lund University [3] Haoran Bai, Fengxiang Wang, Junqiang Xing, 2007,Control Strategy of Combined PWM Rectiier/ Inverter for a High Speed Generator Power System, IEEE [4] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [5] Degang Yang, Liangbing Zhao, Runsheng Liu, 1999, Modeling and closed – loop cotroller design of three – phase high power factor Rectiier, power Electronics, 49 – 52 [6] Đặng Ngọc Huy, Lê Kim Anh, 2012, Nghiên cứu mơ hình tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu nối lưới, Tạp san khoa học công nghệ, Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh, Số (10), 43-47 [7] Nguyễn Phùng Quang, 2006, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [8] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc Huy, 2012, Mô hình điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Đại Học Đà Nẵng, Số 11(60), 1-6 67 ... 27 Dòng điện ngõ Iabc(A) Hình 28 Điện áp nối lưới Uabc(V) Hình 29 Dòng điện nối lưới Iabc(A) Kết luận Điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời ứng dụng biến đổi điện tử công suất, ... đưa điện áp (AC) nối lưới Hình Điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi điện tử công suất 57 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 2.1 Bộ biến đổi trạng thái DC/DC Mục đích biến. .. 66 Ứng dụng điều khiển làm việc trạng thái ổn định Mô hình nối lưới thơng qua máy biến áp 400V/22kV đường dây tải điện Điều khiển nối lưới cho tuabin gió nguồn pin mặt trời ứng dụng biến đổi điện