Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu

Bài viết đã đưa ra kết quả mô phỏng điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu 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.

87 TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 15 * 2017 ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO NGUỒN PIN MẶT TRỜI VÀ PIN NHIÊN LIỆU Lê Kim Anh* Tóm tắt Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu 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 môi trường Nối lưới cho nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu 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 mô điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu sử dụng biến đổi điện tử cơng 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; lượng tái tạo; nguồn công suất nhỏ; nguồn phân tán 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 mặt trời nguồn pin nhiên liệu nói riêng dạng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng lượng mặt trời nguồn pin nhiên liệu nước ta lớn Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn lượng mặt trời nguồn pin nhiên liệu cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây ô nhiễm môi 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, nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp, đồng thời đưa điện áp * TS, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa (AC) nối lưới Các biến đổi điện tử cơng suất giữ vai trị quan trọng hệ thống điều khiển lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu 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 nguồn pin mặt trời kết hợp với nguồn pin nhiên liệu nói riêng Theo [1], nguồn pin mặt trời (Photovoltaic cell) kết hợp với nguồn pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cells – PEMFC), hệ thống bao gồm thành phần bản, hình Các biến đổi điện tử công suất thực nhiệm vụ sau: Nguồn TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 88 pin mặt trời pin nhiên liệu điều cho điện áp chiều (DC), tất điện áp chiều (DC) qua nghịch lưu (DC/AC) đưa điện áp (AC) nối lưới Bộ biến đổi DC/DC Pin mặt trời (PV) Tải DC Bộ biến đổi DC/DC Mặt trời H2_ flow Pin nhiên liệu Bộ biến đổi DC/DC H2 Tích trữ khí Điện Nghịch lưu DC/AC H2 Nước Tải AC O2 Quá trình điện phân Máy biến áp Lưới điện Bus DC Hình Sơ đồ nối lưới cho nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu sử dụng biến đổi điện tử công suất 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 địi hỏi điều khiển phải hoạt động cách tin cậy, điện áp đầu pin mặt trời pin nhiên liệu 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 DC/DC (Buck – Boots Converter) hình 2, với giản đồ xung đóng ngắt hình Ngắt Đóng U_in Tải Ngắt Đóng Hình Sơ đồ biến đổi DC/DC (a) D = 0.5 (b) D < 0.5 (c) D > 0.5 Hình Giản đồ xung đóng ngắt biến đổi DC/DC 89 TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 15 * 2017 2.1.1 Khi Switch trạng thái đóng Ta xét khoảng thời gian t = đến t = DT, điện áp cuôn dây L Ui Khi cơng suất cuộn dây L tính sau: DT Pin  DT 1 U i I L dt  U i  I L dt  T T (1) Với điều kiện dịng qua cuộn dây L số, cơng suất qua cuộn dây L viết lại sau: Pin  U i I L T DT  dt  U i ILD (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 cơng suất tải: DT Pout  DT 1 U I dt  U I L dt L L T 0 T 0 (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) (4) T Từ phương trình (2) (4) ta viết lại Hình Sơ đồ điều khiển nghịch lưu 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 lưu (DC/AC) Việc nghiên cứu nghịch lưu phương pháp điều chế theo 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 nghịch lưu Theo [3], 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 Hình Giản đồ xung đóng ngắt nghịch lưu TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 90 Ta giả thiết tải pha đối xứng nên điện áp: u t1  u t  u t  (6) ak  Gọi N điểm nút tải pha dạng hình (Y) Dựa vào sơ đồ hình 4, điện áp pha tải tính sau: Với: bk  ut1  u10  u N  2  u sin( k.x)dx t (7) ut  u30  u NO u  u 20  u 30  10 (8) Thay biểu thức (8) vào biểu thức (7) ta có phương trình điện áp pha tải sau: 2u10  u 20  u 30 u t1  2u 20  u 30  u10 ut  2u 30  u10  u 20 ut  2 k 1 PI theo (U) theo (I) t  (12) Thông 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  U t ( k ) m  Ak  2  u sin x.dx t (13) 2 u  t sin( k x).dx (14) 2.2.3 Cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu Theo [4], giá trị đầu điện áp qua chỉnh lưu nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa độ dq xác định sau: 2.2.2 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: k 1  u dx  ut 31  u30  u1O  2 Ak  a k2  bk2 (10)  t Biên độ sóng hài bậc k: Ak (9) ut12  u10  u20 ut  U tAV   ak sin( k.x)   bk cos(k.x)  u cos(k.x)dx  Và biên độ sóng hài bậc k: Điện áp dây tải tính sau: ut 23  u20  u30 2 U tAV  ut  u 20  u N Với u N   (15)   (16) K   Vd*   K dp  di  id*  id  ed  Liq S   K qi   Vq*   K qp   iq*  iq  eq  Lid S   (11) PI SV PWM PI theo (I) Hình Điều khiển cho mạch vịng dịng điện Hình Điều khiển mạch vịng dịng điện 91 TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 15 * 2017 suất cực đại Theo đặc tính phi tuyến hình 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 Cơng suất pin (W) Dịng điện pin (A) Mơ hình nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu 3.1 Mơ hình pin mặt trời (PV) * Theo quan điểm lượng điện tử, pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) coi nguồn dịng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V hình Hiệu suất pin mặt trời đạt giá trị lớn pin mặt trời cung cấp công Điện áp pin (V) Hình Đặc tính làm việc pin mặt trời 3.2 Mơ hình tốn học pin mặt trời (PV) * Dòng điện đầu pin theo [5], tính sau:   q(V  IRs    V  IRs    1    (17) I  I ph  I s exp   kTc A    Rsh  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 tối pin, Iph: dòng quang điện, Tc: nhiệt độ pin, Rsh: điện trở shunt, Rs : điện trở pin, A: hệ số lý tưởng Theo biểu thức (17) dòng quang điện phụ thuộc vào lượng mặt trời nhiệt độ pin đó: I ph  I sc  K I (Tc  Tref ) H (18)  Hình Sơ đồ tương đương pin mặt trời I s  I RS (  qEG (Tc  Tref Tc ) exp  Tref  Tref Tc kA   (19)  Trong đó: IRS: dịng điện ngược bão hòa nhiệt độ pin, EG: lượng vùng cấm chất bán dẫn Mặt khác pin lượng mặt trời phổ biến thị trường sở vật liệu silicon truyền thống thường có giá trị 0,6V, muốn có điện áp làm việc cao ta mắc nối tiếp pin, muốn có dịng điện lớn mắc song song, hình 10 Ns NsRs/Rsh  Với: Isc: dịng ngắn mạch, 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 tối pin với nhiệt độ pin tính sau: + NpIph NsRs/Rsh Np Hình 10 Dịng điện modul pin V - TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 92 Vậy dòng điện modul pin là: I  N p I ph  IR  V  s q  Ns N p  N p I s exp   kTc A        N pV     IRs   1   N s    Rsh             (20) Từ biểu thức (17), (18), (19), (20) phân tích trên, mơ hình pin mặt trời xây dựng Matlab/Simulink với ngõ vào dịng điện, nhiệt độ Ngõ cơng suất điện áp pin, hình 11 Hình 11 Mơ hình pin mặt trời Hình 12 Bám điểm công suất cực đại * Phương pháp điều khiển bám điểm cơng suất cực đại (MPPT): có nhiều kỹ thuật để điều khiển pin mặt trời bám điểm cơng suất cực đại Những kỹ thuật phân thành nhóm sau: kỹ thuật tìm kiếm kỹ thuật tìm kiếm dựa mơ hình Ở kỹ thuật tìm kiếm dễ thực địi hỏi số bước lớn hội tụ điểm cực đại (MPP) hội tụ nhanh điểm MPP với kỹ thuật tìm kiếm dựa mơ hình Kỹ thuật đồi hỏi phải biết xác thông số pin mặt trời số đo nhiệt độ xạ mặt trời, hình 12 3.3 Mơ hình pin nhiên liệu (FC) * Dựa vào mối quan hệ điện áp đầu áp suất riêng phần hydro, oxy nước theo [6], mơ hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton – PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) tính sau: qH pH Và  qH O pH O K an  KH2 M H2  K an  K H 2O M H 2O (21) (22) Trong đó: qH : dịng chảy đầu vào hydro (kmol/s); p H : áp suất riêng phần 93 TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 15 * 2017 hydro (atm); Kan: số van anốt  kmol.kg /atm.s ; M H : khối lượng phân tử hydro (kg/kmol); K H : số phân tử van hydro [kmol/(atm.s)] Đối với dòng chảy hydro phân tử, có ba yếu tố quan trọng: dịng chảy đầu vào hydro, dòng chảy đầu hydro dòng chảy hydro phản ứng Mối quan hệ yếu tố biểu diễn sau:  d RT in pH  qH  qHout2  qHr dt Van  (23) Trong T: nhiệt độ tuyệt đối (K); Van: thể tích anốt (m3); qHin2 :dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s); qHout2 :dòng chảy đầu hydro (kmol/s); qHr :dòng chảy hydro phản ứng (kmol/s) Biểu thức (23) q tính sau: r H2 qHr  N N s I FC  K r I FC 2F (24) Với: N0: số lượng pin nhiên liệu ngăn xếp; NS: số ngăn xếp sử dụng nhà máy điện; IFC: dòng điện pin nhiên liệu (A); Kr: số mơ hình [kmol/(s.A)]; F: số Faraday (C/kmol) Từ biểu thức (21),(24) ta biến đổi Laplace, áp suất hydro viết lại sau: pH  K H2   H2 q S in H2   K r I FC (25) Với:  H : số thời gian hydro (s)  H  Van K H RT (26) Điện áp hệ thống pin nhiên liệu tính sau: Vcell=E+ηact+ηohmic (27) đây:  act   B ln( CI FC ) (28) int ohmic   R I FC (29) Trong đó: R : nội trở pin nhiên liệu (Ω); B,C: số để mơ q điện áp kích hoạt hệ thống PEMFC (A-1) (V); E: điện áp tức thời (V); ηact : điện áp kích hoạt (V); ηohmic : áp nội trở (V); Vcell: điện áp đầu hệ thống pin nhiên liệu (V) Theo [7], điện áp tức thời xác định sau: int   pH PO   RT   (30) E  N o  Eo  log  2F PH O        Trong đó: E0: điện áp chuẩn khơng tải (V); PO2: áp suất riêng phần oxy (atm) PH2O: áp suất riêng phần nước (atm) Hệ thống pin nhiên liệu tiêu thụ lượng khí hydro theo nhu cầu phụ tải điện Theo [8], lượng khí hydro có sẵn từ thùng chứa hydro tính sau: N N s I FC req qH  (31) 2 FU Trong đó: qHreq2 :số lượng khí hydro cần thiết để đáp ứng thay đổi tải (kmol/s); U: hệ số sử dụng, tùy thuộc vào cấu hình hệ thống pin nhiên liệu, dịng chảy khí hydro oxy Dựa vào biểu thức phân tích mơ hình pin nhiên liệu, mục 3.2 Mơ hình xây dựng Matlab/Simulink, hình 13 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ N 94 Hình 13 Mơ hình pin nhiên liệu điện tử công suất điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu xây dựng matlab – simulink, hình 14 Xây dựng mơ hình mơ matlab – simulink 4.1 Xây dựng mơ hình matlab – simulink Mơ hình ứng dụng biến đổi Hình 14 Sơ đồ nối lưới cho nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu sử dụng biến đổi điện tử công suất 4.2 Kết mô matlab - simulink Selected signal: 2.5 cycles FFT window (in red): cycles 500 -500 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Time (s) 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 14 16 18 20 500 Mag (% of Fundamental) Fundamental (50Hz) = 52 , THD= 1.30% -500 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.15 0.1 0.05 0.2 0 10 12 Harmonic order Hình 15 Điện áp nghịch lưu (V) Hình 19 Sóng hài dịng điện 350 50 300 Điện áp (V) 40 250 200 30 150 Dòng điện (A) 20 100 50 10 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 Hình 16 Điện áp dòng điện pin mặt trời 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.2 Hình 20 Cơng suất pin mặt trời (W) 95 TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 15 * 2017 60 x 10 Điện áp (V) 50 40 30 Đóng tải nối lưới 20 Dịng điện (A) 10 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0 0.2 Hình 17 Điện áp dòng điện pin nhiên liệu 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 21 Cơng suất pin nhiên liệu (W) 40 400 20 300 200 100 -20 -100 -40 -200 -300 -60 -400 0.02 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 x 10 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 22 Dịng điện ngõ Iabc (A) 1.5 0.5 0 -0.5 -1 -1 -2 -3 -1.5 -2 0.02 0.2 Hình 18 Điện áp ngõ Uabc (V) 0.04 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 23 Điện áp nối lưới Uabc (V) Nhận xét: Qua kết mô phỏng, 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 Lúc xạ mặt trời thay đổi dịng PV thay đổi mạnh, áp PV thay đổi công suất PV phụ thuộc ảnh hưởng xạ Tại thời điểm t = 0.08s giá trị dịng điện, điện áp cơng suất đầu giá trị đặt, hệ thống làm việc trạng thái ổn định Kết luận Ứng dụng biến đổi điện tử công suất điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu, kết [1] -4 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 24 Dịng điện nối lưới Iabc (A) hợp với giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT), phát huy đối đa công suất phát hệ thống, đồng thời công suất pin mặt trời (PV) thu đạt giá trị cực đại Tại thời điểm t = 0.02s đóng tải, dịng điện điện áp đầu giá trị đặt hệ thống điều khiển ln làm việc ổn định Mơ hình nối lưới thông qua máy biến áp 400V/22kV đường dây tải điện Điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu 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 lượng tái tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO M Uzunoglu, O.C Onar, M.S Alam (2009), “Modeling, control and simulation of a PV/FC/UC based hybrid power generation system for stand-alone applications”, 96 [2] [3] [4] [5] [6] TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN Renewable Energy 34,509–520 Bengt Johansson (2003), “Improved Models for DC-DC Converters”, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation Lund University Nguyễn Văn Nhờ, “Điện tử công suất”, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh 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), 1-8 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), 1-6 Lê Kim Anh（2012）, “Xây dựng mơ hình điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin nhiên liệu”, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Đại học công nghiệp Hà Nội, số 12 [7] [8] M Hashem Nehrir,Caisheng Wang（2009）， “Modeling and control of fuel cells”, Books in the IEEE press series on power engineering M.Y El-Sharkh, A Rahman, M.S Alam, P.C Byrne, A Sakla, T Thomas (2004), “Adynamic model for a stand-alonePEM fuel cell power plant for residential applications”, Journal of Power Sources 138, 199 – 204 Abstract Applying of power electronic converters in grid-connected control of solar cell and fuel cell sources The research on using and exploiting effectively solar cell and fuel cell sources to generate electricity is significant in reducing the climate changes as well as the dependence of power demand on fossil energy sources which are at risk both in running up and causing environmental pollution Using power electronic converters for grid-connecting of solar cell and fuel cell sources have some advantages such as active fuel input and capability of power transferring in both directions The combination of harmonic filter circuits to suppress high order harmonics on the grid will also have significant effect on power quality improvement The article presents simulation results of the grid-connected control model of an integrated solar cell and fuel cell power system using power electronic converters, which maintains maximum capacity of the systems regardless of the connected power loads Key words: power electronic converter; grid-connected control; renewable energy; small power sources; distributed sources ... pin mặt trời pin nhiên liệu điều cho điện áp chiều (DC), tất điện áp chiều (DC) qua nghịch lưu (DC/AC) đưa điện áp (AC) nối lưới Bộ biến đổi DC/DC Pin mặt trời (PV) Tải DC Bộ biến đổi DC/DC Mặt. .. trời pin nhiên liệu sử dụng biến đổi điện tử công suất 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. .. hình pin nhiên liệu, mục 3.2 Mơ hình xây dựng Matlab/Simulink, hình 13 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 94 Hình 13 Mơ hình pin nhiên liệu điện tử công suất điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời pin nhiên