Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ nghịch lưu DC AC Inverter đầu ra dạng sóng sin chuẩn THD 5 trong hệ thống điện mặt trời Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ nghịch lưu DC AC Inverter đầu ra dạng sóng sin chuẩn THD 5 trong hệ thống điện mặt trời luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ KHA NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ NGHỊCH LƯU DC-AC (INVERTER), ĐẦU RA DẠNG SÓNG SIN CHUẨN (THD ≤ 5%), TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS TRẦN VĂN THỊNH Hà Nội – Năm 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cơng trình nghiên cứu tôi, chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2011 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Kha MỤC LỤC MỤC LỤC i T 32T DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv T T DANH MỤC CÁC BẢNG v T 32T DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi T T I MỞ ĐẦU T 32T II NỘI DUNG T 32T CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI T T 1.1 Khái quát lượng Mặt Trời T T 1.1.1 Mặt Trời cấu tạo Mặt Trời T T 1.1.2 Năng lượng xạ Mặt Trời [2] T T 1.1.3 Số liệu xạ Mặt Trời T T 1.1.4 Hằng số Mặt Trời T 32T 1.2 Năng lượng mặt trời Việt Nam T T 1.2.1 T 32T Năng lượng xạ Mặt Trời Việt Nam 32T T 1.2.1.1 Cường độ xạ 32T T 1.2.1.2 Số nắng 10 32T 32T 1.2.2 Phát triển lượng Mặt Trời Việt Nam 13 T T CHƯƠNG T NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA QUANG ĐIỆN 17 T 2.1 Hiệu ứng quang điện 17 T 32T 2.2 Hiệu suất trình biến đổi quang - điện 18 T T Pin lượng Mặt Trời (PMT) 20 2.3 T 32T 32T T 2.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin lượng Mặt Trời 20 T T 2.3.2 Phân loại PMT 21 T 32T 2.3.2.1 PMT đa tinh thể Si [3] 22 32T T 2.3.2.2 PMT đơn tinh thể Si 22 32T T 2.3.2.3 PMT màng mỏng (vơ định hình a-Si) 22 32T T 2.3.2.4 PMT nhiều mức lượng 23 32T T i 2.3.3 Các đặc trưng PMT 24 T T 2.3.4 Dòng đoản mạch I SC [3] 26 T R R T 2.3.5 Thế hở mạch V OC [3] 27 T R R T 2.3.5 Điểm làm việc với công suất cực đại [3] 28 T T 2.3.6 Các điều kiện tải tiêu thụ điện PMT 30 T T 2.3.7 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc hiệu suất PMT 32 T T 2.3.8 Hiệu suất biến đổi quang - điện PMT [3] 35 T T CHƯƠNG QUANG ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG 38 T T Hệ thống điện Mặt Trời không nối lưới 39 3.1 T 32T 32T T 3.1.1 Hệ thống điện Mặt Trời độc lập 40 T T 3.1.1.1 Hệ thống chiều (DC): 40 32T T 3.1.1.2 Hệ thống xoay chiều (AC): 41 32T T 3.1.2 Hệ thống điện Mặt Trời “lai” (Hybrid) 42 T T 3.1.2.1 Cấu hình nối tiếp 42 32T T 3.1.2.2 Cấu hình chuyển mạch phía tải xoay chiều 43 32T T 3.1.2.3 Cấu hình song song 44 32T T 3.2 Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới 45 T T 3.2.1 Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới không dự trữ 45 T T 3.2.2 Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới có dự trữ 46 T T 3.3 Các thành phần hệ thống điện Mặt Trời 47 T T 3.3.1 Bộ Pin dự trữ (bộ acquy) 47 T T 3.3.2 Bộ điều khiển nạp 50 T 32T 3.3.2.1 Bộ điều khiển nạp nối tiếp 51 32T T 3.3.2.2 Bộ điều khiển nạp song song 52 32T T 3.3.2.3 Điều khiển nạp kiểu điều áp chiều (băm) 52 32T T 3.3.3 Bộ nghịch lưu (DC – AC) 53 T T 3.3.4 Máy phát phụ 54 T 32T CHƯƠNG 4: NÂNG CAO HIỆU SUẤT BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC TRONG HỆ T THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG DỰ TRỮ 56 T 4.1 Bộ nghịch lưu ứng dụng nối lưới 56 T T ii 4.1.1 Phân loại nghịch lưu 57 T T 4.1.2 Các nghịch lưu hệ thống PMT nối lưới điện[5] 58 T T 4.1.2.1 Nghịch lưu phụ thuộc 58 32T T 4.1.2.2 Bộ nghịch lưu độc lập 59 32T T 4.1.2.3 Bộ nghịch lưu với máy biến áp cao tần 60 32T T 4.1.2.4 Nghịch lưu đa mức 61 32T T 4.1.2.5 Nghịch lưu nguồn áp không cách ly 62 32T T 4.1.2.6 Bộ nghịch lưu nguồn dịng khơng cách ly 62 32T T 4.1.2.7 Bộ biến đổi Flyback 63 32T T 4.1.3 Điều khiển công suất qua nghịch lưu 63 T T 4.1.3.1 Điều khiển dịng điện có trễ 64 32T T 4.1.3.2 Điều khiển dịng điện so sánh theo tín hiệu sin - tam giác 65 32T T 4.2 Mô hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ 66 T T 4.2.1 Mơ hình PMT 71 T 32T 4.2.2 Mơ hình khâu DC – DC tăng áp (Boost) 80 T T 4.2.3 Mơ hình khâu nghịch lưu DC – AC 86 T T 4.2.3.1 Phân tích phương pháp điều khiển dịng điện có trễ: 88 32T T 4.2.3.2 Phân tích phương pháp điều khiển dịng điện so sánh với tín hiệu sin – tam 32T giác 92 32T III KẾT LUẬN 99 T 32T CÁC KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 100 T T TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 T T iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Dòng điện xoay chiều BCC Điểm nạp pin/acquy (Battery chaging centre) CBCC Trung tâm văn hóa kết hợp điểm nạp pin DC Dòng điện chiều MT Mặt Trời PV Điện Mặt Trời (photovoltaic) PMT Pin lượng Mặt Trời (Pin Mặt Trời) V-A Von - Ampe SHS Hệ thống điện Mặt Trời gia đình (Solar home system) THD Hệ số méo sóng hài (Total hamonic distortion) PWM Điều chế độ rộng xung MPP Điểm làm việc cực đại (Maximum Power Point) iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Cường độ xạ Mặt Trời trung bình ngày vùng lãnh thổ Việt Nam T T Bảng Cường độ xạ trung bình hàng tháng thành phố lớn Việt Nam T (kWh/m2 /ngày[7] P P 32T Bảng Số nắng trung bình năm 11 T T Bảng Số nắng trung bình ngày thành phố lớn Việt Nam[9] 11 T T Bảng Phát triển lượng Mặt Trời Việt Nam đến năm 2008[8] 13 T T Bảng 4.1 Hai loại mơ hình PMT 71 T 32T Bảng 4.2 THD f sw I ref thay đổi với phương pháp điều khiển dịng điện có trễ 92 T R R R R T Bảng 4.3 THD f sw I ref thay đổi với hai phương pháp điều khiển 98 T R R R R T v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Cấu trúc mặt Trời T 32T Hình Các đường cong ghi thành phần tổng T Bảng 1 Cường độ xạ Mặt Trời trung bình ngày vùng lãnh thổ Việt Nam T T Bảng Cường độ xạ trung bình hàng tháng thành phố lớn Việt Nam T (kWh/m2 /ngày[7] P P 32T Bảng Số nắng trung bình năm 11 T T Bảng Số nắng trung bình ngày thành phố lớn Việt Nam[9] 11 T T Bảng Phát triển lượng Mặt Trời Việt Nam đến năm 2008[8] 13 T T Bảng 4.1 Hai loại mơ hình PMT 71 T 32T Bảng 4.2 THD f sw I ref thay đổi với phương pháp điều khiển dịng điện có trễ 92 T R R R R T Bảng 4.3 THD f sw I ref thay đổi với hai phương pháp điều khiển 98 T R R R R T xạ nhiễu xạ ngày [2] T 32T Hình Tương quan vị trí Mặt Trời Trái Đất [1] T T Hình Biểu đồ cường độ xạ Mặt Trời ngày TP Hồ Chí Minh, 28-04T 2005[8] 10 32T Hình Các trình lượng tử hệ hai mức hai vùng lượng [2] 18 T T Hình 2 Hiệu suất biến đổi quang điện phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm vật liệu [2] T T 19 Hình Cấu trúc pin [2] 21 T T Hình Sơ đồ tương đương PMT [3] 24 T T Hình Đường đặc tính sáng V-A PMT [3] 25 T T Hình Đường đặc tính V-A PMT tinh thể Si 25 T T Hình Sự phụ thuộc đặc tính V-A PMT vào cường độ xạ Mặt Trời [3] 26 T T Hình Sự phụ thuộc đặc tính V-A PMT tinh thể Si vào nhiệt độ [3] 28 T T Hình Điểm làm việc điểm làm việc công suất cực đại [3] 29 T T Hình 10 Các đường đặc tính V-A PMT cường độ sáng thay đổi đường T đặc tính tải điển hình 31 32T Hình 11 Sơ đồ khối hệ thống điện Mặt Trời đơn giản 32 T T Hình 12 Các thành phần điện trở nội trở [3] 33 T T Hình 13 Đặc tính V-A PMT phụ thuộc vào R S (R p =∞)[3] 34 T R vi R R R T Hình 14 Đặc tính V-A PMT phụ thuộc vào Rp (R S =0)[3] 34 T R R T Hình 15 Sự phụ thuộc hiệu suất PMT (vật liệu Si GaAs) vào nhiệt độ [3] 36 T T Hình Các lĩnh vực ứng dụng hệ thống điện Mặt Trời 39 T T Hình Mơ hình hệ thống chiều (DC) kết nối trực tiếp 40 T T Hình 3 Mơ hình hệ thống chiều (DC) kết nối qua hiệu chỉnh 40 T T Hình Mơ hình hệ thống chiều (DC) có dự trữ 41 T T Hình Mơ hình hệ thống điện Mặt Trời với tải AC 41 T T Hình Hệ nối tiếp PMT tổ máy Diezen 42 T T Hình Cấu hình chuyển mạch phía tải xoay chiều 43 T T Hình Cấu hình song song 44 T 32T Hình Mơ hình hệ thống điện Mặt Trời nối lưới khơng dự trữ 45 T T Hình 10 Mơ hình hệ thống điện Mặt Trời nối lưới có dự trữ 46 T T Hình 11 Bộ điều chỉnh nạp nối tiếp 52 T T Hình 12 Bộ điều chỉnh nạp song song 52 T T Hình 13 Bộ điều áp chiều 53 T T Hình a/ Nghịch lưu điều khiển áp b/ Nghịch lưu điều khiển dòng 58 T T Hình Bộ nghịch lưu phụ thuộc pha 58 T T Hình Nghịch lưu độc lập 59 T 32T Hình 4 Dạng sóng đầu theo phương pháp điều chế độ rộng xung 60 T T Hình Nghịch lưu với máy biến áp cao tần 60 T T Hình Dạng sóng điện áp đầu nghịch lưu mức 61 T T Hình Nghịch lưu ba mức 62 T 32T Hình Nghịch lưu nguồn áp không cách ly 62 T T Hình Nghịch lưu nguồn dịng khơng cách ly 63 T T Hình 10 Bộ biến đổi flyback 63 T 32T Hình 11 Sơ đồ thay hệ thống đồ thị vector 64 T T Hình 12 Dạng sóng dịng điện thực với điều khiển dịng điện có trễ [10] 65 T T Hình 13 Dạng sóng dịng mẫu dịng điện thực với điều khiển dòng điện so sánh T theo tín hiệu sin - tam giác [10] 66 32T Hình 14 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ 67 T T Hình 15 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nghịch lưu nguồn áp không cách ly 67 T T Hình 16 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện Mặt trời nối lưới không cách ly 68 T T vii Hình 17 Mơ hình Matlab hệ thống PMT – DC/DC – DC/AC 69 T T Hình 18 Điện áp V out (Boost) điều khiển công suất phát vào lưới biến đổi 70 T R R T Hình 19 Nguyên lý tự động điều khiển cân công suất 71 T T Hình 20 Mơ hình PMT mơ tả Matlab 73 T T Hình 21Thành phần bên module PMT 74 T T Hình 22Khởi tạo biến mơ hình module PMT 75 T T Hình 23 Mơ hình 10 module PMT 85W mắc nối tiếp 76 T T Hình 24 Các đặc tính 10 Module PMT 85W mắc nối tiếp 77 T T Hình 25 Lưu đồ thuật tốn tìm MPP 78 T T Hình 26 Module PMT – Boost với MPPT Matlab 79 T T Hình 27 Dịng điện tối ưu PMT cường độ sáng thay đổi 80 T T Hình 28 Khâu DC –DC tăng áp (boost) 81 T T Hình 29 Tỷ số điện áp Boost theo tỷ lệ dẫn D 82 T T Hình 30 Mơ hình khâu DC –DC tăng áp lý tưởng 83 T T Hình 31 Mơ hình Matlab khâu DC –DC tăng áp khơng tổn hao 83 T T Hình 32Mơ hình khâu DC – DC tăng áp có xét tới tổn hao 84 T T Hình 33 Hiệu suất DC –DC tăng áp phụ thuộc vào tải 85 T T Hình 34 Mơ hình Matlab khâu DC –DC tăng áp có xét đến tổn hao 85 T T Hình 35 Mơ hình mạch điện khâu nghịch lưu pha 86 T T Hình 36 Bộ nghịch lưu điều khiển dịng điện có trễ 88 T T Hình 37 Mơ hình Matlab khâu DC – AC điều khiển dịng điện có trễ 89 T T Hình 38 Họ đặc tính THD f sw phụ thuộc vào ∆i L =const 90 T R R T Hình 39 Họ đặc tính THD f sw phụ thuộc vào L ∆i =const 91 T R R T Hình 40Bộ nghịch lưu điều khiển dịng điện so sánh với tín hiệu sin – tam giác 92 T T Hình 41 Mơ hình Matlab khâu DC – AC điều khiển dịng điện so sánh với tín hiệu sin – T tam giác 93 32T Hình 42 Họ đặc tính THD f sw phụ thuộc vào biên độ xung tam giác I tri 94 T R R R R T Hình 43 Họ đặc tính THD f sw phụ thuộc vào chu kỳ xung tam giác T tri 95 T R R R R T Hình 44 Họ đặc tính THD f sw phụ thuộc vào∆i 96 T R R T Hình 45 Họ đặc tính THD f sw phụ thuộc L 97 T R R R viii R T Khi khóa vị trí sơ đồ tương đương vẽ 4.35b Ta có: vL = VDC - vac iL = iac iin = iL Khi khóa vị trí sơ đồ tương đương vẽ 4.35b Ta có: vL = - VDC - vac iL = iac iin = - iL Khi tần số chuyển mạch fs lớn tần số lưới, coi thời gian chuyển mạch vac(t) ≅ const 𝑣𝑣𝐿𝐿 = � +𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 − 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎 , −𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 − 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎 , Điện áp trung bình cuộn cảm: 𝑉𝑉𝐿𝐿 = 𝑇𝑇𝑠𝑠 ≤ 𝑡𝑡 ≤ 𝐷𝐷𝑇𝑇𝑠𝑠 𝐷𝐷𝑇𝑇𝑠𝑠 < 𝑡𝑡 ≤ 𝑇𝑇𝑠𝑠 � 𝑣𝑣𝐿𝐿 (𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝐷𝐷 (𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 − 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎 ) + (1 − 𝐷𝐷 )(−𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 − 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎 ) = (2𝐷𝐷 − 1)𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 − 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑇𝑇𝑠𝑠 =0 Tỷ lệ biến đổi: 𝑀𝑀 (𝐷𝐷 ) = 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎 = 2𝐷𝐷 − 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 Nhận thấy -1 ≤ M(D) ≤ điện áp VDC phải lớn điện áp đỉnh xoay chiều Như trình bày, phải điều khiển biến tần tạo dòng điện iac phải đạt sin trùng pha với điện áp lưới Tức có iac = IMsin(ωt) trùng pha với điện áp lưới vac(t), giá trị IM điều khiển để phát cơng suất vào lưới Cơng suất tác dụng hệ thống PMT phát vào lưới: pac(t) = vaciac = VRMSIRMS(1- cos(2ωt)) Pac = VRMSIRMS Ta phân tích chất lượng dịng điện đầu nghịch lưu sử dụng điều khiển dịng điện có trễ điều khiển dịng điện so sánh với tín hiệu sin – tam giác 87 4.2.3.1 Phân tích phương pháp điều khiển dịng điện có trễ: ∆i Vị trí Vị trí -∆i/2 ∆i/2 iref-iL Hình 36 Bộ nghịch lưu điều khiển dịng điện có trễ Ngun lý điều kiển phương pháp sau: Khi: iL < iref - ∆i/2: khóa K vị trí 1; iL > iref + ∆i/2: khóa K vị trí Do iL ln ln dao động khoảng [iref - ∆i/2 iref + ∆i/2] Khi giảm ∆i giảm thành phần hài bậc cao dịng điện đầu nghịch lưu, số THD giảm, tần số chuyển mạch trung bình van tăng lên, kéo theo tổn thất chuyển mạch van tăng hiệu suất nghịch lưu giảm việc chọn van có tần số chuyển mạch phù hợp khó khăn Như phải chọn giá trị ∆i thích hợp Ngồi thơng số điện cảm lọc L ảnh hưởng mạnh số THD Hai yếu tố THD tần số chuyển mạch định đến chất lượng nghịch lưu Ở khảo sát thông số để chọn điểm làm việc tối ưu Mơ hình Matlab khâu DC – AC điều khiển dịng điện có trễ hình 4.37 88 Vrms Sine Wave v ac vac v ac Vrms switch control Vdc inductor Vdc-v ac Input DC voltage output AC current s 1/L -1 iac Integrator (L) 1/L -Vdc-v ac iL Switch (L) -Vdc comparator with hysteresis Input current switch control Product switch control iref Iref iin -1 Relay RMS current reference -iL Switch (Iin) Hình 37 Mơ hình Matlab khâu DC – AC điều khiển dịng điện có trễ Trong mơ hình, điện áp lưới vac = 220√2sin314t V, điện áp DC Vdc = 400V Giá trị dòng điện đặt Iref tính tốn cho đạt cân công suất PMT công suất phát vào lưới điện Với mơ hình dãy 10 PMT 85W Iref 3,64A Hiệu dịng điện đặt dịng điện thực iref – iac so sánh với |∆i/2| nhờ khối “relay” Khi iref – iac ≥ ∆i/2 đầu “relay” trạng thái “1”; khóa chuyển mạch “Switch(L)” nối đầu với cổng số iac = iL = ∫(𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 − 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎 ) 𝑑𝑑𝑑𝑑 tính qua 𝐿𝐿 khối hệ số “1/L” khối tích phân “1/s”; dòng điện iac tăng lên để giảm lệch với dòng iref Trạng thái giữ đến iref – iac ≤ - ∆i/2 đầu “relay” trạng thái “0”, khóa chuyển mạch “Switch(L)” nối đầu với cổng số iac = iL = 𝐿𝐿 ∫(−𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 − 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎 ) 𝑑𝑑𝑑𝑑, dòng điện iac giảm lên để giảm lệch với dịng iref Q trình tiếp tục kết iL luôn dao động khoảng [iref - ∆i/2 iref + ∆i/2] + Khảo sát tiến hành thay đổi nhấp nhơ dịng điện ∆i, giữ nguyên thông số Iref = 3,64A, điện áp lưới xoay chiều vac = 220√2sin314t V, điện áp chiều Vdc = 400V, điện cảm L không đổi; số THD tần số chuyển mạch trung bình van bán dẫn thay đổi theo ∆i vẽ hình 4.38 Hình vẽ 4.38 vẽ đường cong THD fsw với giá trị khác L Tương ứng THD1 - fsw1- L(1) = P 89 P 0,02H, THD2 - fsw2 - L(2) = 0,05H, THD3 - fsw3 - L(3) = 0,1H, THD4 - fsw4 - L(4) = P P P P P P 0,2H, THD5 - fsw5 - L(5) = 1H P P 35 30 thd(%) 25 thd1 20 thd2 15 thd3 10 thd4 thd5 0 0,5 1,5 2,5 ∆i (A) 160000 140000 fsw(Hz) 120000 100000 fsw1 80000 fsw2 60000 fsw3 40000 fsw4 20000 fsw5 0 0,5 1,5 ∆i(A) 2,5 Hình 38 Họ đặc tính THD fsw phụ thuộc vào ∆i L =const Nhận xét: Với L ≤ 0,2H, giảm ∆i THD giảm xuống ngược lại tần số U U chuyển mạch trung bình van bán dẫn nghịch lưu tăng lên Khi ∆i giảm nhỏ THD giảm tuyến tính fsw lại tăng mạnh đột biến Với L = 1H, tốc độ biến thiên dòng điện nhỏ, dẫn đến THD lớn fsw nhỏ gần không phụ thuộc vào thay đổi ∆i 90 + Khảo sát tiến hành thay đổi điện cảm L, giữ nguyên thông số Iref = 3,64A, điện áp lưới xoay chiều vac = 220√2sin314t V, điện áp chiều Vdc = 400V, độ nhấp nhơ dịng điện ∆i khơng đổi; số THD tần số chuyển mạch trung bình van bán dẫn thay đổi theo L vẽ hình 4.39 Hình vẽ 4.39 vẽ đường cong THD fsw với giá trị khác ∆i Tương ứng THD1 - fsw1∆i(1)=0,2A, THD2 - fsw2 - ∆i(2)=0,5A, THD3 - fsw3 - ∆i(3)=1A, THD4 - fsw4 - ∆i(4)=1,2A P P P P P P P 35 30 thd (%) 25 20 thd1 15 thd2 thd3 10 thd4 0 0,5 1,5 L (H) 80000 70000 60000 fsw(Hz) 50000 fsw1 40000 fsw2 30000 fsw3 20000 fsw4 10000 -10000 0,5 1,5 L (H) Hình 39 Họ đặc tính THD fsw phụ thuộc vào L ∆i =const 91 P Nhận xét: U U Khi tăng giá trị điện cảm L đến 0,2H, tần số chuyển mạch trung bình van bán dẫn nghịch lưu giảm mạnh, THD thay đổi Khi L ≥ 0,2H số THD lại tăng mạnh, fsw lúc giữ ổn định giá trị nhỏ Do cần thiết việc chọn giá trị L thích hợp Qua việc khảo sát nên chọn thông số: ∆i = 0,2A, L = 0,05H ứng với thông số mạch uac = 220√2sin314t V, Vdc = 400V Khi cường độ sáng thay đổi cơng suất phát PMT thay đổi Để cân công suất phát vào lưới cơng suất PMT giá trị Iref thay đổi Ta khảo sát chất lượng hệ thống Iref thay đổi bảng 4.1: Bảng 4.2 THD fsw Iref thay đổi với phương pháp điều khiển dịng điện có trễ Iref (A) thd(%) fsw(Hz) 5,774 13950 2,887 13850 1,925 13700 3,64 1,586 13550 1,443 13450 4.2.3.2 Phân tích phương pháp điều khiển dịng điện so sánh với tín hiệu sin – tam giác Vị trí Vị trí -∆i/2 ∆i/2 iref-iL Hình 40Bộ nghịch lưu điều khiển dịng điện so sánh với tín hiệu sin – tam giác 92 Phương pháp điều khiển dòng điện so sánh với tín hiệu sin – tam giác khác với phương pháp điều khiển dịng điện có trễ tín hiệu dịng điện thực so sánh với tín hiệu dịng điện mẫu sin – tam giác Mơ hình Matlab khâu DC – AC điều khiển dòng điện so sánh tín hiệu sin - tam giác hình 4.41 Thuật tốn hình 4.41 tương tự hình 4.37 Ở khác dòng điện thực iac so sánh với dịng điện mẫu sin – tam giác (tín hiệu sin + tín hiệu tam giác) Như phân tích với phương pháp điều khiển dịng điện có trễ, thông số ∆i, L, Iref ảnh hưởng đến chất lượng nghịch lưu (THD, tần số chuyển mạch trung bình) Ngồi cịn có thêm yếu tố tác động biên độ tần số tín hiệu xung tam giác Nếu chọn tham số mạch thích hợp giảm THD Vrms Sine Wave v ac vac v ac Vrms switch control Vdc inductor Vdc-v ac Input DC voltage output AC current 1/L -1 1/L -Vdc-v ac s iL iac Integrator (L) Switch (L) -Vdc comparator with hysteresis Input current Iref iref Product switch control switch control iin -1 Relay RMS current reference -iL Switch (Iin) Repeating Sequence Hình 41 Mơ hình Matlab khâu DC – AC điều khiển dịng điện so sánh với tín hiệu sin – tam giác 93 + Khảo sát tiến hành thay đổi biên độ xung tam giác Itri, giữ nguyên thông số Iref = 3,64A, điện áp lưới xoay chiều vac = 220√2sin314t V, điện áp chiều Vdc = 400V, chu kỳ xung tam giác không đổi, độ nhấp nhô dòng điện ∆i = 0,75A, L = 0,02H; số THD tần số chuyển mạch trung bình van bán dẫn thay đổi theo Itri vẽ hình 4.42 Hình vẽ 4.42 vẽ đường cong THD fsw với giá trị khác Itri Tương ứng THD1 - fsw1- Ttri1 = 0,00001(s), THD2 - fsw2 - Ttri2 = 0,00003(s), THD3 - fsw3 - Ttri3 = 0,00005(s), THD4 - fsw4 - Ttri4 = 0,0001(s) 10 thd (%) thd1 thd2 thd3 thd4 Itri(A) 120000 fsw(Hz) 100000 80000 fsw1 60000 fsw2 40000 fsw3 20000 fsw4 Itri(A) Hình 42 Họ đặc tính THD fsw phụ thuộc vào biên độ xung tam giác Itri Nhận xét: Khi biên độ xung tam giác tăng lên, tần số chuyển mạch trung U U bình van nghịch lưu tăng lên đến mức độ Itri ≥ 2A fsw không đổi Nên để tần số xung tam giác Ttri ≤ 0,00005s Chỉ số THD đạt cực tiểu khoảng 0,75A ≤ Itri ≤ 1,5A 94 + Khảo sát tiến hành thay đổi chu kỳ xung tam giác Ttri, giữ nguyên thông số Iref = 3,64A, điện áp lưới xoay chiều vac = 220√2sin314t V, điện áp chiều Vdc = 400V, biên độ xung tam giác Itri khơng đổi, độ nhấp nhơ dịng điện ∆i = 0,75A, L = 0,02H; số THD tần số chuyển mạch trung bình van bán dẫn thay đổi theo Ttri vẽ hình 4.43 Hình vẽ 4.43 vẽ đường cong THD fsw với giá trị khác Ttri Tương ứng THD1 - fsw1- Itri1 = 0,5A, THD2 - fsw2 Itri2 = 0,75A, THD3 - fsw3 - Itri3 = 1A, THD4 - fsw4 - Itri4 = 1,5A 14 12 Thd (%) 10 thd1 thd2 thd3 thd4 0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 fsw (Hz) Ttri(s) 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 fsw1 fsw2 fsw3 fsw4 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 Ttri(s) Hình 43 Họ đặc tính THD fsw phụ thuộc vào chu kỳ xung tam giác Ttri Nhận xét: Khi chu kỳ xung tam giác tăng đến Ttri = 0,0001s (tần số giảm U U đến 10kHz) THD tăng tuyến tính tần số chuyển mạch trung bình nghịch lưu giảm, chu kỳ tăng từ Ttri = 0,0001s THD tần số chuyển mạch trung bình có xu hướng bão hịa 95 + Khảo sát tiến hành thay đổi nhấp nhơ dịng điện ∆i, giữ nguyên thông số Iref = 3,64A, điện áp lưới xoay chiều vac = 220√2sin314t V, điện áp chiều Vdc = 400V, điện cảm L không đổi, biên độ xung tam giác Itri = 0,75A, chu kỳ xung tam giác Ttri = 0,00004s; số THD tần số chuyển mạch trung bình van bán dẫn thay đổi theo ∆i vẽ hình 4.44 Hình vẽ 4.44 vẽ đường cong THD fsw với giá trị khác L Tương ứng THD1 - fsw1- L(1) = 0,02H, THD2 P P fsw2 - L(2) = 0,05H, THD3 - fsw3 - L(3) = 0,1H, THD4 - fsw4 - L(4) = 0,2H, THD5 - fsw5 P P P P P P L(5) = 0,5H P P 30 thd (%) 25 20 thd1 15 thd2 10 thd3 thd4 0 0,5 ∆i (A) 1,5 thd5 30000 fsw (Hz) 25000 20000 fsw1 15000 fsw2 10000 fsw3 5000 fsw4 0 0,5 ∆i (A) 1,5 fsw5 Hình 44 Họ đặc tính THD fsw phụ thuộc vào∆i Nhận xét: U Với L ≤ 0,2H, giảm ∆i THD giảm xuống ngược lại tần số chuyển mạch trung bình van bán dẫn nghịch lưu tăng lên.Với L = 0,5H, tốc độ biến thiên dòng điện nhỏ, dẫn đến THD lớn fsw nhỏ gần không phụ thuộc vào thay đổi ∆i 96 + Khảo sát tiến hành thay đổi điện cảm L, giữ nguyên thông số Iref = 3,64A, điện áp lưới xoay chiều vac = 220√2sin314t V, điện áp chiều Vdc = 400V, độ nhấp nhơ dịng điện ∆i khơng đổi, biên độ xung tam giác Itri = 0,75A, chu kỳ xung tam giác Ttri = 0,00004s; số THD tần số chuyển mạch trung bình van bán dẫn thay đổi theo L vẽ hình 4.45 Hình vẽ 4.45 vẽ đường cong THD fsw với giá trị khác ∆i Tương ứng THD1 - fsw1- ∆i(1)=0,2A, P P THD2 - fsw2 - ∆i(2)=0,5A, THD3 - fsw3 - ∆i(3)=1A, THD4 - fsw4 - ∆i(4)=1,2A P P P P P P 35 30 Thd (%) 25 20 thd1 15 thd2 10 thd3 thd4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 L (H) 30000 25000 fsw (Hz) 20000 fsw1 15000 fsw2 10000 fsw3 5000 fsw4 -5000 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 L (H) Hình 45 Họ đặc tính THD fsw phụ thuộc L Nhận xét: THD đạt cực tiểu điện cảm L khoảng [0,05 0,2], L U U tăng THD tăng theo fsw giảm giá trị cố định Qua kết khảo sát thu được, nên chọn giá trị 0,1H ≤ L ≤ 0,2H, 0,5A ≤ Itri ≤ 1A 97 So sánh kết hai phương pháp với thông số mạch uac = 220√2sin314t V, Vdc = 400V Khi cường độ sáng thay đổi cơng suất phát PMT thay đổi Để cân cơng suất phát vào lưới cơng suất PMT giá trị Iref thay đổi Với tần số chuyển mạch gần nhau, số THD thu với phương pháp điều khiển dịng điện so sánh với tín hiệu sin – tam giác có giá trị nhỏ với phương pháp điều khiển dịng điện có trễ Kết ta có bảng số liệu sau: Bảng 4.3 THD fsw Iref thay đổi với hai phương pháp điều khiển Phương pháp điều khiển dòng điện so sánh với Phương pháp điều khiển dịng tín hiệu sin – tam giác điện có trễ: ∆i=0,4A; L = 0,15H; T=0,00004s; Itri=0,75A ∆i=0,2A; L=0,05H Iref (A) thd(%) fsw(Hz) Thd(%) fsw(Hz) 5,774 13950 4,195 19100 2,887 13850 1,948 17850 1,925 13700 1,294 15800 3,64 1,586 13550 1,13 14250 1,443 13450 0,966 13150 Kết luận: U U Bộ biến đổi điện tử công suất hệ thống lượng điện mặt trời có vai trị quan trọng Nó phải đảm bảo lượng từ dãy PMT cung cấp cho tải lưới điện lớn có thể, hiệu suất cao Do đó, biến đổi phải tối ưu khâu PMT phải làm việc điểm công suất cực đại, hiệu suất khâu DC – DC, DC –AC phải đạt cao cách chọn linh kiện phù hợp, thuật toán điều khiển hợp lý Với khâu DC –AC, việc sử dụng điều khiển dịng điện có trễ hay điều khiển dịng điện so sánh với tín hiệu sin - tam giác phải chọn giá trị độ nhấp nhơ dịng điện ∆i, điện cảm lọc L, xung tam giác hợp lý để dịng điện đầu có THD nhỏ, tần số chuyển mạch van fsw phù hợp giảm tổn hao chuyển mạch tăng hiệu suất biến đổi 98 III KẾT LUẬN KẾT LUẬN CHUNG Năng lượng mặt trời vơ tận Thơng qua phân tích thông số xạ mặt trời giới Việt Nam, khẳng định việc nghiên cứu triển khai lượng điện mặt trời nước ta có ý nghĩa thực tiễn Phân tích hệ thống điện Mặt Trời thường gặp trợ giúp cho trình lựa chọn cấu hình phù hợp cho yêu cầu thiết kế khác Thành phần sóng hài (THD) kết nối lưới phụ thuộc vào giải pháp điều khiển thông số điều khiển Độ nhấp nhô dịng điện ∆i nhỏ tần số chuyển mạch cao, THD thấp Khảo sát cho thấy giá trị điện cảm lọc L ảnh hưởng đến THD fsw ln có vùng L thỏa mãn THD fsw Với phương pháp điều khiển dòng điện theo tín hiệu sin – tam giác, ta kết hợp chọn ∆i, L với tín hiệu tam giác Itri Ttri để đạt THD nhỏ, fsw hợp lý 99 CÁC KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Từ kết luận luận văn nhận định rào cản cho phát triển lượng Mặt Trời Việt Nam, là: Thứ nhất: Rào cản hệ thống PV giá PMT đắt Hiện nay, công nghiên cứu, chế tạo PMT Việt Nam nằm phịng thí nghiệm dừng lại mức gia công cho hãng nước ngồi Hơn nữa, Cơng nghệ chế tạo PMT giới nhiều hạn chế giá PMT mức cao (hiện đơn giá thấp PMT khoảng 3USD/1 WP) Thứ hai: Các thiết bị điện tử hệ thống PV Việt Nam cịn hạn chế Thơng thường điều khiển nạp, inverter nhập từ nước với giá cao Trong mặt công nghệ Việt Nam hồn tồn chế tạo thiết bị Tuy nhiên, dừng lại mức đáp ứng chức mà hiệu suất chưa thể cải thiện nhiều Do đặc thù hệ thơng PV địi hỏi thiết bị biến đổi trung gian phải có hiệu suất cao (thường >90%) đó, công nghệ Việt Nam chưa đáp ứng lý làm cho giá điện Mặt Trời mức cao Thứ ba: Do sách hỗ trợ phát triển nguồn lượng tái tạo có hệ thống PV phủ cịn hạn chế Được đánh giá có tiềm phát triển điện Mặt Trời nhiều quốc gia, Việt Nam có định hướng phát triển đến năm 2050 điện Mặt Trời chiếm khoảng 5% lượng điện nước Nếu khơng có hỗ trợ phủ, dự án điện Mặt Trời thực không khả thi giá khoảng 1USD/1kWh cao so với điện truyền thống Như vậy, định hướng khả thi để phát triển điện Mặt Trời tương lai nắm bắt công nghệ chế tạo PMT Định hướng tác giả hướng tới chế tạo thành công thiết bị biến đổi : điều khiển nạp, nghịch lưu điều kiện Việt Nam đáp ứng yêu cầu công nghệ đảm bảo hiêu suất cao (> 90%), THD ≤5% 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Nguyễn Bốn, Hoàng Dương Hùng (2004), Năng lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng, Đà Nẵng Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên (2006), Cơ sở lượng tái tạo, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Đặng Đình Thống (2005), Pin Mặt Trời ứng dụng, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tài liệu tiếng Anh Antonio Luque, Steven Hegedus (2003), Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Muhamad H Rashid – editor- in – chef, (2001), Power electronics handbook, 540 – 561 Dung, T.Q., Anisuzzaman, M.,Kumar, S., Bhattacharya, S.C (2003) Demonstration of multipurpose battery charging station for rural electrification Renewable Energy, 28, December 2003, 2367-2378 Dung, T.Q (2008) PV research and effective exploitation of solar electricity in Viet Nam Paper presented at APEC Photovoltaic Conference, October 2008, Taiwan Dung, T Q (2009), “Photovoltaic technology and solar energy development in Viet Nam”, Special Feature: Renewable Energy Technologies, TECH MONITOR Nov-Dec 2009, 29 – 36 Prof Le Chi Hiep (2009) Solar energy and solar photovoltaic in Viet Nam, Berlin, October 9, 2009 10 M Imran Hamid, Makbul Anwari Member, IEEE, Z Salam Member, IEEE, and Taufik, Senior Member, IEEE, (2008), “Load Sharing Characteristic of Single Phase PV Inverter Connected to Grid”, IEEE International Conference on Power and Energy, December – 3, Johor Bahru, Malaysia 101 ... Nội (10o 45? ??N, 106o41’E) (16o03’N, 108o12’E) (21o03’N, 105o54’E) 5. 1 3 .5 2.24 6.3 4.3 2.40 6.6 5. 2 2 .53 5. 7 5. 8 3.46 5. 0 6.4 5. 23 4.9 5. 9 5. 31 5. 1 6 .5 5 .59 5. 0 5. 7 5. 10 4.8 5. 2 4.79 10 4 .5 4.2 4.18... ĐỔI DC- AC TRONG HỆ T THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG DỰ TRỮ 56 T 4.1 Bộ nghịch lưu ứng dụng nối lưới 56 T T ii 4.1.1 Phân loại nghịch lưu 57 T T 4.1.2 Các nghịch lưu hệ thống. .. khai, nên việc nghiên cứu hệ thống điện mặt trời cần thiết Trong luận văn trình bày lượng Mặt Trời, tiềm sử dụng lượng Mặt Trời Việt Nam, hiệu ứng quang điện, hệ thống điện Mặt Trời Và phần cuối