Ứng dụng của bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời

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.

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 và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió cũng như 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 Nối lưới tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất có những ưu điểm như: Hệ thống nối lưới chủ động được nguồn nhiên liệu đầu vào, khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng Kết hợp với mạch lọc sẽ giảm sóng hài qua lưới và loại trừ các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện năng Bài báo 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, nh̀m duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống

Từ khóa: Các bộ biến đổi điện tử công suất, điều khiển nối lưới, năng 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 công nghiệp Tuy Hòa Tỉnh Phú Yên.

** GV Trường Đại Học Điện Lực Hoa Bắc, Trung Quốc Email: tdhlekimanh@gmail.com

1 Đặt vấn đề

Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng Nguồn năng lượng tái tạo nói chung, nguồn năng lượng gió và nguồn pin mặt trời nói riêng là dạng nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm năng về trữ lượng năng gió cũng như nguồn pin mặt trời ở nước ta rất lớn.Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng gió và nguồn pin mặt trời sao cho hiệu quả, giảm phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí (CO2) đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC tạo ra điện áp một chiều (DC) được điều chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi, bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện dùng điều chỉnh hòa đồng bộ cho máy phát điện cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian, đồng thời đưa ra điện áp (AC) nối lưới Các bộ biến đổi điện tử công suất giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ thống điều khiển năng lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) Hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió với nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển linh hoạt các nguồn năng lượng tái tạo

2 Các bộ biến đổi điện tử công suất

Hệ thống điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán (Distributed Energy Resources – DER) nói chung và tuabin gió với nguồn pin mặt trời nói riêng Theo [1], tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous generator - PMSG) kết hợp với nguồn pin mặt trời (Photovoltaic cell) hệ thống bao gồm các thành phần cơ bản, như hình 1 Các bộ biến đổi điện tử công suất thực hiện nhiệm vụ như sau: Tuabin gió qua máy phát điện cho

ra điện áp (AC), qua bộ chỉnh lưu (AC/DC) đưa ra điện áp một chiều (DC) Pin mặt trời cho ra điện

áp một chiều (DC) Tất cả các điện áp một chiều (DC) này qua bộ nghịch lưu (DC/AC) đưa ra điện

áp (AC) nối lưới

Hình 1 Điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi

điện tử công suất

2.1 Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC

Mục đích của bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC là tạo ra điện áp một chiều (DC) được điều chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi, bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ thống điều khiển năng lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES)

Để ổn định điện áp đầu ra cho bộ biến đổi thì đòi hỏi các bộ điều khiển phải hoạt động một cách tin cậy, do điện áp ở đầu ra của pin mặt trời không đủ lớn để có thể cung cấp chođầu vào của bộ nghịch lưu (DC/AC) Do đó ta phải sử dụng bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC để nâng điện áp đầu ra đạt yêu cầu Theo [2], bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC (Buck – Boots Converter) như hình 2, với giản đồ xung đóng ngắt như hình 3

Hình 2 Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC [2] Hình 3 Giản đồ xung đóng ngắt của bộ biến

đổi DC/DC [2]

2.1.1 Khi Switch ở trạng thái đóng

Ta xét trong khoảng thời gian t = 0 đến t = DT, điện áp trên cuôn dây L là Ui Khi đó công suất trên cuộn dây L được tính như sau:

dt I U T dt I U T P

D T L i

D T L i

0 0

1

Với điều kiện dòng qua cuộn dây L là hằng số, công suất qua cuộn dây L được viết lại như sau:

D I U dt I U T

D T L i

2.1.2 Khi Switch ở trạng thái ngắt

Ta thấy năng lượng trên cuộn dây L bắt đầu xả ra, Diode bắt đầu dẫn điện áp trên cuộn dây

L cung cấp cho tải U0 Khi đó ta có công suất trên tải:

dt I

U T dt I

U T P

D T

L

D T

L L

0

0 0

1 1

(3) Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL là hằng số lúc đó công suất đầu ra được viết lại như sau:

) 1 ( )

(

1

0

0I T D T U I D

U T

Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như sau:













−

−

=

D

D U

U

Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ tăng lên, nhờ bộ điều khiển xung kích ta có thể điều chỉnh điện áp ra mong muốn bằng việc điều chỉnh D

2.2 Bộ ch̉nh lưu và bộ nghịch lưu

Việc nghiên cứu các bộ chỉnh lưu (AC/DC) và bộ nghịch lưu (DC/AC) điều chế theo phương pháp độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM) hoặc điều chế theo vectơ không gian (Space Vector Modulation) được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây với những ưu điểm vượt trội như: khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng, với góc điều khiển được thay đổi được, dung lượng sóng hài thấp v.v

2.2.1 Mô hình toán học cho bộ chỉnh lưu

Sơ đồ bộ chỉnh lưu điều chế theo phương pháp độ rộng xung (PWM), như hình 4 Theo [3], để đạt được mục tiêu là điều khiển các thành phần công suất phát vào lưới từ tuabin gió và pin mặt trời v.v thì hiện nay có nhiều phương pháp để điều khiển cho bộ chỉnh lưu PWM như phương pháp: VOC, DPC, VFVOC, VFDP

Dựa vào sơ đồ hình 4, ta xây dựng biểu thức điện áp của bộ chỉnh lưu PWM như sau:

Hình 4 Sơ đồ dòng điện và điện áp của bộ chỉnh lưu [3]

Biểu thức (6) chuyển sang hệ tọa độ dq

được viết lại như sau:

2.2.2 Mô hình toán học cho bộ nghịch lưu

Theo [4], bộ nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp môt chiều thành điện áp xoay chiều ba pha có thể thay đổi được tần số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt của các van, như hình 5

Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp:

0 3 2

1+ t + t =

Gọi N là điểm nút của tải 3 pha dạng hình (Y) Dựa vào sơ đồ hình 5, điện áp pha của các tải được tính như sau:

N t

N t

u u

u

u u

u

u u

u

−

=

−

=

−

=

3 3

0 2

2

0 1

1

(9)

Với

320 30

10 0

u u

u

Thay biểu thức (10) vào biểu thức (9) ta có phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như sau:

{

3

2

2 1

3 3

1 3

2 2

3 2

1 1

u u u

u

u u

u u

u u

u u

t t t

−

−

=

−

−

=

−

−

=

(11)

Điện áp dây trên tải được tính như sau:

t t

u u

u

u u

u

u u

u

1 3

3

3 2

2

2 1

12

−

=

−

=

−

=

(12)

Thành phần điện áp thứ tự không có thể bỏ qua vì giả thiết tải đối xứng, nên điện áp thứ

tự không sẽ không tạo ra dòng điện Tuy nhiên nếu trong trường hợp có hai bộ nghịch lưu nối song song với các điểm nối trực tiếp ở cả phía xoay chiều và một chiều sẽ gây ra dòng điện thứ

tự không chạy vòng vì xuất hiện đường dẫn của nó, khi đó ta không thể bỏ qua dòng điện thứ

tự không

y Tác hại của sóng hài bậc cao đến bộ nghịch lưu

Biên độ sóng hài có thể xác định dựa theo khai triển chuỗi Fourier của điện áp ngõ ra như sau:

) cos(

)

sin(

1 1

x k b x

k a U

u

k k

k k tAV

= ∫π

π

2 0

) sin(

1 k x dx

u

Với: = ∫π

π

2 0

) cos(

1 k x dx

u

∫

π

2 0

2

1 dx

u

Biên độ sóng hài bậc k: Ak

1 2 2

k k

Thông thường dạng áp của tải có tính chất của hàm lẽ, do đó: bk=0, Ak = ak

Biên độ sóng hài cơ bản Ut(1)m:

= = ∫π

π

2 0 1

) 1 ( A 1 u sinx.dx

Và biên độ sóng hài bậc k: = = π ∫π

2 0 )

( A 1 u sin(k.x).dx

2.2.3 Cấu trúc điều khiển cho bộ chỉnh lưu và nghịch lưu

Theo [5],giá trị đầu ra của điện áp qua bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa

độ dq được xác định như sau: d dp di ( )i d i d e d Li q

S

K K









 +

−

*

(17) ( )q q q d

qi qp

S

K K

V*=− +  *− + −ω (18)

Hình 7 Sơ đồ điều khiển cho 2 mạch vòng

dòng điện [5]

Hình 8 Điều khiển mạch vòng của dòng

điện [5]

3 Mô hình tuabin gió và pin mặt trời

3.1 Mô hình tuabin gió

Theo [6], công suất của tuabin gió được tính theo biểu thức:

3

2 ) ,

C

P m = p λ b ρ (19)

Trong đó: Pm: Công suất đầu ra của tuabin (W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi năng lượng (là tỷ số giữa tốc độ đầu cánh λ và góc cánh β); A: Tiết diện vòng quay của cánh quạt (m2); ρ: Mật độ của không khí, ρ = 1.255 (kg/m3) Từ biểu thức (19) ta thấy vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất của công suất; công suất đầu ra tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc

Hệ số biến đổi năng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (19) được tính như sau:

λ b

λ b

λ, ) 0 5176 (116 0 4 5 ) λ 0 0068 (

21

+

−

−

=

−

i

e C

i

1

035

0 08

0

1

1

b b

λ

λi = + − +

(21)

y Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió và tốc độ là: λ = R vω trong đó ω tốc độ

quay của tuabin, R bán kính của tuabin, v vận tốc của gió Do vậy mômen của tuabin gió được tính như sau:

3

3 5

2

1

λ

ω πρ

T = = (22)

Mặt khác tuabin gió có thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc

độ của gió Đường cong biểu diễn mối quan giữa Pm và tốc độ gió, như hình 9 Từ các biểu thức (19), (20), (21), (22) đã phân tích ở trên, mô hình tuabin gió được xây dựng trên Matlab/Simulink với thông số đầu vào tốc độ gió, tốc độ của máy phát điện và thông số đầu ra mômen, như hình 10

Hình 9 Đường cong mối quan giữa Pm và

tốc độ gió

Hình 10 Mô hình tuabin gió

3.2 Mô hình máy phát điện (PMSG)

Mô hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) có hai loại hệ trục tọa độ được

sử dụng: hệ tọa độ ab gắn cố định với stator và hệ tọa độ dq còn gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ thông rotor, như hình 11 Theo [7], phương trình dòng điện và điện áp của PMSG biểu diển trên

hệ tọa độ dq như sau:

sd sd

sq sd

sq s sd sd

L

i L

L i

T dt

sq

p s sq sq

sq sq

sd sq

sd s

sq

L

u L

i T

i L

L dt

− +

−

−

Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực;

p

ψ từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq là hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực Phương trình

2

3

sq sd sq sd sq p c

Để xây dựng mô hình PMSG trên matlab /simulink dựa vào biểu thức (23),(24),(25), như hình 12

Hình 11 Hệ trục tọa độ αβ và dq Hình 12 Mô hình máy phát điện PMSG

3.3 Mô hình pin mặt tr̀i (PV)

* Theo quan điểm năng lượng điện tử, thì pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) có thể được coi là như những nguồn dòng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V như hình 13

Hình 13 Đặc tính làm việc của pin mặt trời Hình 14 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Hiệu suất của tấm pin mặt trời đạt giá trị lớn nhất khi pin mặt trời cung cấp công suất cực đại Theo đặc tính phi tuyến trên hình 13 thì nó sẽ xảy ra khi P-V là cực đại, tức là P-V = Pmax tại thời điểm (Imax,Vmax) được gọi là điểm cực đại MPP (Maximum Point Power) Hệ bám điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Point Power Tracking) được sử dụng để đảm bảo rằng pin mặt trời luôn luôn làm việc ở điểm MPP bất chấp tải được nối vào pin

* Dòng điện đầu ra của pin theo [8],được tính như sau:







 +

−













−







 +

−

=

sh

s c

s s

ph

R

IR

V A

KT

IR V q I

I

Trong đó: q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k: hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K, Is: là dòng điện bão hòa của pin, Iph: là dòng quang điện, Tc: nhiệt độ làm việc của pin, Rsh : điện trở shunt, Rs : điện trở của pin, A: hệ số lý tưởng Theo biểu thức (26) dòng quang điện phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin do đó:

Với: Isc: là dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 250C, KI: hệ số nhiệt độ của dòng điện ngắn mạch,

Tref: nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), H: bức xạ của mặt trời kW/m2 Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với nhiệt độ của pin được tính như sau:















=

kA T T

T T qE T

T I

I

c ref

ref c G ref

c

R S s

( exp

)

Trong đó: IRS: là dòng bão hòa ngược ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời, EG: năng lượng vùng cấp của chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng và công nghệ làm pin Mặt khác một pin mặt trời có điện áp khoảng 0,6V, do đó muốn có điện áp làm việc cao thì ta mắc nối tiếp các pin, muốn có dòng điện lớn thì mắc song song, như hình 15 Vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là:

Hình15 Dòng điện 1 modul tấm pin

Từ các biểu thức (26), (27), (28), (29) đã phân tích ở trên, mô hình pin mặt trời được

xây dựng trên Matlab/Simulink với các ngõ vào là dòng điện, nhiệt độ Ngõ ra là công suất

và điện áp của pin, như hình 16

Hình 16 Mô hình pin mặt trời(PV)

4 Mô phỏng trên Matlab – Simulink

Hình 17 Điều khiền nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng

các bộ biến đổi điện tử công suất

y Kết quả mô phỏng

Hình 18 Điện áp ra DC bộ biến đổi

Hình 20 Điện áp AC bộ chỉnh lưu (V) Hình 21 Điện áp ra bộ nghịch lưu (V)

Hình 22.Công suất của pin(W) Hình 23 Dòng điện và điện áp của pin

Hình 24 Công suất tuabin gió(W) Hình 25 Công suất tổng

( tuabin gió+ pin)(W)

Hình 26 Điện áp ngõ ra Uabc(V) Hình 27 Dòng điện ngõ ra Iabc(A)

Hình 28 Điện áp nối lưới Uabc(V) Hình 29 Dòng điện nối lưới Iabc(A)

5 Kết luận

Điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất, kết hợp với giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT), đã phát huy đối đa công suất phát ra, đồng thời công suất pin mặt trời (PV) thu được luôn đạt giá trị cực đại Tại thời điểm t = 0.02s đóng tải, dòng điện và điện áp đầu ra luôn bằng giá trị đặt và hệ thống

điều khiển luôn làm việc ở trạng thái ổn định Mô hình nối lưới được thông qua máy biến áp 400V/22kV và đường dây tải điện Điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các 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 mô hình tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lưới, Tạp san khoa học và 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 bản 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 và công nghệ, Đại Học Đà Nẵng, Số 11(60), 1-6