Ðiều khiển bộ nghịch lưu áp ba pha cấp cho phụ tải không cân bằng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ VĂN HUỆ ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA CẤP CHO PHỤ TẢI KHÔNG CÂN BẰNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ VĂN HUỆ ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA CẤP CHO PHỤ TẢI KHÔNG CÂN BẰNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên nghành Mã số : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa : 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tự thân thực Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Học viên Võ Văn Huệ ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA CẤP CHO PHỤ TẢI KHÔNG CÂN BẰNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Học viên: Võ Văn Huệ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Bộ nghịch lưu áp pha dây dụng rộng rãi công nghiệp ứng dụng tải ba pha cân bằng, điểm trung tính lập, với dịng thứ tự khơng bị triệt tiêu Gần tải không cân phi tuyến sử dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng, dịng ba pha khơng cân xuất dịng trung tính Để đáp ứng cho phụ tải này, dây trung tính cần tính đến phương pháp điều khiển nghịch lưu áp pha dây cần đến Do luận văn sau tiến hành nghiên cứu lượng mặt trời nguồn lượng tái tạo vĩnh cửu phương pháp điều khiển nguồn lượng cấp cho phụ tải không cân thông qua điều khiển nghịch lưu áp pha dây Qua nghiên cứu tác giả tóm tắt kết đạt để phục vụ cho việc phát triển dự án thực tế hệ thống điện mặt trời tương lai, dùng cho phụ tải phân tán phạm vi hệ thống điện siêu nhỏ Từ khóa – Điều khiển; Ba pha khơng cân bằng; Nghịch lưu pha dây; Năng lượng mặt trời; Tải không cân INVERTER-CONTROLLED THREE PHASE VOLTAGE SOURCE PROVIDES UNBALANCED LOAD APPLICATIONS IN SOLAR SYSTEM Abstract - Three-phase voltage-source inverters wires have been used extensively in industry and application in three-phase balanced load, the neutral point is isolated, with no order line eventually Recently unbalanced and nonlinear loads are widely used in industry and residential, unbalanced three-phase line and appears neutral line In response to the load neutral wire, this should be accounted for and method of voltage source inverter-controlled 3-phase wires are needed Thus in the following thesis will conduct research on solar energy is a renewable energy source and the control method of permanent energy sources for the unbalanced load control via voltage-source inverters phase wire Through this research author has summarized the results achieved in order to cater for the development of practical projects on solar electric systems in the future, for the load dispersion in the range micro power system Key words – Control; Unbalanced three-phase; Inverters phase wire; Solar energy; Unbalanced load MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu: 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu Bố cục đề tài Tổng quan tài liệu nghiên cứu CHƯƠNG : TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Phát triển điện mặt trời Việt Nam tỉnh ĐăkLăk 1.2 Tế bào quang điện 13 1.2.1 Mạch tương đương tế bào quang điện 14 1.2.2 Mạch tương đương tiêu chuẩn tế bào quang điện 15 1.2.3 Tế bào, khối, dãy lượng quang điện 18 1.2.4 Liên kết khối để có dãy lượng quang điện 19 1.2.5 Điều kiện chuẩn (STC) 23 1.3 Các điều kiện ảnh hưởng đến phát điện pin quang điện 24 1.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ độ chiếu nắng đến pin quang điện 24 1.3.2 Ảnh hưởng che khuất đến pin quang điện 25 1.3.3 Phương pháp giải 26 1.3.4 Bypass diode 27 1.3.5 Blocking diode 29 1.4 Hệ thống điện Mặt trời độc lập 30 1.5 Hệ thống điện Mặt trời nối lưới 30 CHƯƠNG : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI KẾT HỢP BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC 32 2.1 Giới thiệu dị tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) 32 2.2 MPPT với giải thuật P&O 34 2.3 Điều khiển công suất cực đại theo I 36 2.4 Bộ chuyển đổi DC/DC Boost Converter 38 2.5 Bộ MPPT kết hợp chuyển đổi DC/DC Boost converter 41 CHƯƠNG : HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP PHA DÂY 44 3.1 Phân loại nghịch lưu 44 3.1.1 Bộ nghịch lưu áp ba pha hai mức 44 3.1.2 Các phương pháp điều khiểm nghịch lưu áp 45 3.1.3 Một số tiêu chí đánh giá kỹ thuật PWM nghịch lưu dạng sóng mang dùng kỹ thuật PWM 50 3.2 Phương pháp điều chế điều rộng xung PWM cho nghịch lưu pha dây 51 3.3 Mô nghịch lưu áp pha dây 53 3.4 Mô tổng hợp hệ thống 55 3.5 Kết mơ phỏng, phân tích đánh giá 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Năng lượng phát đơn vị diện tích vật thể E (W/m2 µm) T  σ A β m h n δ βN SC IB  c h Id I0 k q Vd VOC ISC RP RS Vmodule Pmodule Imodule IR VR Tcell Tamb S IscI Isc1-Sun Insolation Insolation1-sun Nhiệt độ tuyệt đối (K) Bước sóng (  m) Hằng số Stefan boltzman = 5.67 × 10-8 W/m2-K4 Diện tích tồn phần bề mặt vật thể đen (m2) Góc nghiêng mặt trời so với mặt biển Tỷ suất khối khơng khí Độ dài đường tia mặt trời Số ngày Góc nghiêng Góc mặt trời so với mực nước biển số mặt trời= 1.377 kW/m2 Cường độ tia sáng phản xạ bề mặt trái đất Góc tới  tạo tia sáng chiếu đến bề mặt pin tia phản xạ Vận tốc ánh sáng=3x108 m/s Hằng số Planck (= 6,626 x 10-34J-s) Dòng qua diode Dòng bão hòa Hằng số Boltzmann’ = 1.381 x 10-23 J/K Điện tích electron = 1.602 x 10-19 C Điện áp hai đầu diode Điện áp hở mạch Dòng ngắn mạch Điện trở rò Điện trở nối tiếp Áp khối pin quang điện Công suất phát khối pin quang điện Dòng khối pin quang điện Dòng định mức Áp định mức Là nhiệt độ tế bào quang điện (oC) Nhiệt độ xung quanh Độ chiếu nắng Dòng ngắn mạch vị trí cường độ nắng Dịng ngắn mạch full Sun (1000W/m2) Cường độ chiếu nắng Cường độ chiếu nắng full sun D V0 VS VL IL Vload Pload Iload Chu kỳ đóng cắt switch Điện áp ngõ Điện áp ngõ vào Điện áp cuộn dây Dòng điện qua cuộn dây Điện áp tải Cơng suất tải Dịng tải Số hiệu hình vẽ Hình 0.1 Hình 0.2 Hình 0.3 Hình 0.4 Hình 0.5 Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 1.18 Hình 1.19 Hình 1.20 Hình 1.21 Hình 1.22 Hình 1.23 Hình 1.24 Hình 1.25 Hình 1.26 Hình 1.27 Hình 1.28 Hình 1.29 Hình 1.30 Hình 1.31 Hình 1.32 Hình 1.33 Hình 1.34 Hình 1.35 DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình vẽ Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dây với lọc LC đầu Sơ đồ khối hệ thống PV kết nối nghịch lưu pha dây cấp cho tải không cân Điều khiển nghịch lưu nguồn áp pha dây, báo [1] Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dây với máy biến áp cách ly, báo [2] Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dây với lọc LC, báo [3] Bức xạ mặt trời khu vực dự án Buôn Kuốp Các khu vực thuận lợi để lắp đặt pin mặt trời hồ Buôn Kuốp Bức xạ mặt trời khu vực dự án Buôn Tua Srah Các khu vực thuận lợi để lắp đặt pin mặt trời hồ Buôn Tua Srah Bức xạ mặt trời khu vực dự án Srêpốk Các khu vực thuận lợi để lắp đặt pin mặt trời hồ Srêpốk Sự phát sinh dòng điện chiếu nắng vào mối nối p-n Mạch tương đương tế bào quang điện Sơ đồ mô tế bào quang điện Trường hợp bị che khuất Mạch tương đương thêm điện trở song song RP Đặc tuyến V-A thêm vào RP Mạch tương đương thêm điện trở nối tiếp RS Đặc tuyến V-A thêm vào RS Mạch tương đương cell lượng mặt trời Đặc tuyến V-A thêm vào RPvà RS Tế bào, khối, dãy ping quang điện Sơ đồ khối mô 36 cell quang điện Dãy nối tiếp đặc tuyến Sơ đồ khối mơ dãy pin nối tiếp Dãy song song đặc tuyến Sơ đồ khối mô dãy pin song song Dãy hỗn hợp với đặc tuyến Các trường hợp hở mạch (a), ngắn mạch (b), kết nối tải (c) Đồ thị V-A công suất Đồ thị xác định MPP Đặc tuyến V-A ảnh hưởng độ chiếu nắng nhiệt độ Mạch cell bị che khuất Đặc tuyến V-A tế bào bị che khuất Ảnh hưởng che khuất đến đặc tính V-A Mạch tương đương tế bào bị che khuất Tế bào mắc song song với diode trường hợp đầy nắng (a), bị che khuất (b) Sự ảnh hưởng bypass diode Dãy quang điện điều kiện chiếu nắng (a), bị che khuất khối khơng có bypass diode (b) có bypass diode (c) Dãy quang điện khơng có blocking diode (a) có blocking diode (b) Trang 2 3 10 11 11 12 12 13 14 14 15 16 16 16 16 17 17 18 18 19 20 20 21 21 23 23 24 24 25 26 27 27 27 28 28 29 29 Hình 1.36 Hình 1.37 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.26 Hình 3.27 Một cấu trúc hệ thống điện mặt trời độc lập (không dự trữ) Một cấu trúc hệ thống điện mặt trời độc lập (có dự trữ) Đặc tuyến V-A với thay đổi cường độ chiếu nắng Đặc tuyến V-A đặc tuyến loại tải Ắc quy đặc tuyến Nạp xả Ắcquy Tỷ số dP/dV với giải thuật P&O Lưu đồ giải thuật P&O Sơ đồ mô giải thuật P&O Mô đặc tuyến P-I P-V với thay đổi cường độ chiếu nắng Lưu đồ giải thuật MPPTIref Mơ hình MPPTIref Sơ đồ ngun lý boost converter Khi switch ON Khi switch OFF Sơ đồ mô Boost Converter Kết mô Boost Converter Sơ đồ tổng quát MPPT kết hợp Boost converter MPPT kết hợp với Converter Mạch nghịch lưu pha bậc (a) pha cầu H (b) Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch tạo trễ Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch hiệu chỉnh Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện hệ tọa độ quay Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện hệ tọa độ đứng yên Quan hệ biên độ áp điều khiển biên độ sóng mang Sơ đồ nghịch lưu pha dây Dạng sóng điều khiển pha theo phương pháp PWM Dạng sóng điều khiển ngõ pha theo phương pháp PWM Sơ đồ khối mô tổng quát nghịch lưu Sơ đồ khối tạo xung kích cho nghịch lưu Dòng tải pha phụ tải khơng cân bằng, phân tán Áp dây tải Dịng tải pha phụ tải không cân bằng, phân tán Sơ đồ mô hệ thống Điện áp DC đầu boost DC Điện áp dây tải phụ tải không cân bằng, phân tán Điện áp pha tải phụ tải khơng cân bằng, phân tán Dịng điện tải phụ tải không cân bằng, phân tán Dịng trung tính In phụ tải khơng cân bằng, phân tán Điện áp dây trung tính un phụ tải không cân bằng, phân tán Áp dây tải phụ tải cân Áp pha tải phụ tải cân Dòng tải phụ tải cân Dịng trung tính phụ tải cân Điện áp dây trung tính un phụ tải cân Phổ hài điện áp pha Ua phụ tải không cân Tỉ lệ (%) phổ hài điện áp pha Ua phụ tải không cân 30 30 32 33 33 34 35 35 36 36 37 38 39 40 40 41 41 42 42 44 46 47 48 49 50 52 53 53 54 54 55 55 55 56 56 56 57 57 58 58 58 58 58 59 59 60 Hình 3.28 Hình 3.29 Hình 3.30 Hình 3.31 Phổ hài điện áp dây Uab phụ tải không cân Tỉ lệ (%) phổ hài điện áp dây Uab phụ tải không cân Phổ hài dịng điện pha A phụ tải khơng cân Tỉ lệ (%) phổ hài dòng điện pha A phụ tải không cân 60 61 61 61 50 Chọn sóng mang có Up = => U dk = m(n − 1) (3.17) 3.1.2.7 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO – PWM) SFO – PWM: Switching Frequency Optimal PWM method Phương pháp có kỹ thuật thực giống phương pháp điều chế độ rộng xung Điểm khác biệt sóng điều chế (điện áp điều khiển) cải biến Theo sóng điều chế cộng thêm tín hiệu thứ tự khơng (sóng hài bội ba) Tồn nhiều khả tạo nên thành phần thứ tự khơng, tín hiệu thứ tự khơng chọn giá trị trung bình giá trị tín hiệu lớn ba tín hiệu điều chế với tín hiệu nhỏ ba tín hiệu điều chế- Phương pháp SFO - PWM Gọi Va, Vb, Vc tín hiệu điều khiển phương pháp điều chế PWM Tín hiệu điều khiển theo phương pháp SFO-PWM vừa mơ tả biểu diễn dạng tốn học sau: Với số sóng điều chế: m  Voffset = max(Va ,Vb ,Vc ) + min(Va ,Vb ,Vc ) (3.18) VxSFO = Vx - Voffset , (x = a,b,c ) Phương pháp cho phép thực điều khiển tuyến tính điện áp tải với số điều chế nằm phạm vi ≤ m ≤ 0.907, biên độ sóng hài điện áp đạt giá trị cực đại U/ tương ứng số điều chế lúc là: U/  mSFO _ PWM =  = U = 0.907 Hình 3.6: Quan hệ biên độ áp điều khiển biên độ sóng mang 3.1.3 Một số tiêu chí đánh giá kỹ thuật PWM nghịch lưu dạng sóng mang dùng kỹ thuật PWM - Chỉ số điều chế (Modulation index) m: định nghĩa tỉ số biên độ thành phần hài tạo nên phương pháp điều khiển biên độ thành phần hài đạt phương pháp điều khiển sáu bước (six-step) m= U (1) m U (1) m − six _ steps = U (1) m Vd  (3.19) 51 Với Vd tổng điện áp nguồn DC - Độ méo dạng tổng sóng hài THD (Total Harmonic Distortion) dòng điện: đại lượng dùng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (2,3…) xuất nguồn điện, tính theo:  THDI = I j =2 ( j) (3.20) I (1) Trong trường hợp dịng điện khơng chứa thành phần DC độ méo dạng tổng sóng hài tính theo hệ thức sau:  THDI = I j =2 I (1) ( j) = I − I (1) I (1) (3.21) Trong đó: + I(j): trị hiệu dụng sóng hài bậc j, với j ≥ + I(1): trị hiệu dụng thành phần hài dịng điện - Tần số đóng ngắt cơng suất tổn hao đóng ngắt: Cơng suất tổn hao xuất linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất linh kiện trạng thái dẫn điện Pon tổn hao công suất động Pdyn Tổn hao công suất Pdyn tăng lên tần số đóng ngắt linh kiện tăng lên Tần số đóng ngắt linh kiện tăng lên tùy ý lí sau: + Cơng suất tổn hao linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt + Linh kiện cơng suất lớn thường gây cơng suất tổn hao đóng ngắt lớn Do đó, tần số kích đóng phải giảm cho phù hợp, ví dụ linh kiện GTO cơng suất MW đóng ngắt tần số khoảng 100Hz + Các qui định tương thích điện từ (Electromagnet Compatibility – EMC) qui định nghiêm ngặt biến đổi cơng suất đóng ngắt với tần số cao 9kHz 3.2 Phương pháp điều chế điều rộng xung PWM cho nghịch lưu pha dây Phương pháp dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng cơng tắc nghịch lưu dựa so sánh hai tín hiệu bản: tín hiệu điều khiển – sóng sin có biên độ tần số mong muốn (Vcontrol) – so sánh với sóng mang tam giác có biên độ tần số khơng đổi (Vtri): − Khi Vcontrol > Vtri cho điện áp Vd (giá trị điện áp DC ngõ vào) − Khi Vcontrol < Vtri cho điện áp 0V Trong Vcontrol điện áp điều khiển pha ua, ub, uc có dạng sin điện áp điều khiển dây trung tính un sau: 52 ua = U m sin(wt ) 2 ) (3.22) 4 uc = U m sin(wt − ) un = Bộ nghịch lưu lúc có khả điều khiển tần số biên độ sóng bậc một, khơng cần thiết sử dụng chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch lúc xảy tần số cao xác định với tần số sóng mang cho phép điều khiển nhanh đồng thời cải thiện tốt phổ hài dòng điện tải ub = U m sin(wt − Hình 3.7: Sơ đồ nghịch lưu pha dây Trạng thái đóng/ngắt khóa bán dẫn nhánh tải pha a, b, c, n phải thỏa mãn điều kiện kích đối nghịch S a + S a' = ; Sb + Sb' = ; S c + S c' = ; S c + S c' = ; S n + S n' = (3.23) Điện áp Ua0, Ub0, Uc0 gọi điện áp pha - tâm nguồn pha a, b, c Un0 gọi điện áp tâm tải - tâm nguồn, xác định theo công thức (3.3) Vì vậy, điện áp pha tải điện áp dây tính theo cơng thức (3.4) (3.5) 53 Hình 3.8: Dạng sóng điều khiển pha theo phương pháp PWM Hình 3.9: Dạng sóng điều khiển ngõ pha theo phương pháp PWM 3.3 Mô nghịch lưu áp pha dây Sơ đồ mô phỏng: 54 Hình 3.10: Sơ đồ khối mơ tổng qt nghịch lưu Sơ đồ tạo xung kích: Hình 3.11: Sơ đồ khối tạo xung kích cho nghịch lưu Đồ thị dịng áp ngõ ra: Hình 3.12: Dịng tải pha phụ tải khơng cân bằng, phân tán 55 Hình 3.13: Áp dây tải pha phụ tải không cân bằng, phân tán 3.4 Mô tổng hợp hệ thống Sơ đồ hệ thống Hình 3.14: Sơ đồ mô hệ thống 3.5 Kết mơ phỏng, phân tích đánh giá Kết mơ với cường độ chiếu nắng lớn 1000W/m2 Số lượng module: 36 Cơng suất hệ thống: 3065.04 W Dịng MPPT: 14.85 A Áp MPPT: 206.4V Hình 3.15: Điện áp DC đầu boost DC 56 Hình 3.16: Điện áp dây tải phụ tải không cân bằng, phân tán Hình 3.17: Điện áp pha tải phụ tải khơng cân bằng, phân tán Hình 3.18: Dịng điện tải phụ tải không cân bằng, phân tán 57 Hình 3.19: Dịng trung tính In phụ tải khơng cân bằng, phân tán Hình 3.20: Điện áp cuộn kháng trung tính uLn phụ tải khơng cân bằng, phân tán 58 Hình 3.21: Áp dây tải phụ tải cân Hình 3.22: Áp pha tải phụ tải cân Hình 3.23: Dịng tải phụ tải cân Hình 3.24: Dịng trung tính phụ tải cân Hình 3.25: Điện áp cuộn kháng trung tính uLn phụ tải cân 59 Hình 3.26: Phổ hài điện áp pha Ua phụ tải không cân Hình 3.27: Tỉ lệ (%) phổ hài điện áp pha Ua phụ tải không cân 60 Hình 3.28: Phổ hài điện áp dây Uab phụ tải khơng cân Hình 3.29: Tỉ lệ (%) phổ hài điện áp dây Uab phụ tải không cân 61 Hình 3.30: Phổ hài dịng điện pha A phụ tải khơng cân Hình 3.31: Tỉ lệ (%) phổ hài dòng điện pha A phụ tải không cân 62 Đánh giá kết quả: Từ kết mơ phân tích phổ sóng hài, ta rút số nhận xét sau: − Điện áp pha tạo từ hệ thống PV cung cấp đáp ứng tốt cho phụ tải không cân bằng; − Điện áp dịng điện cung cấp cho tải có độ méo dạng thấp, THDI = 0,3%, nhỏ nhiều so với tiêu chuẩn IEEE1547 IEC61727 (THDI