Hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM NGUYỄN THIỆN MỸ NGUYỄN THIỆN MỸ LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HỊA LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHĨA: 2012 Chun ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THIỆN MỸ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH PHƢƠNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày … tháng năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THIỆN MỸ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/6/1964 Nơi sinh: TÂY NINH Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV:1241830019 I- TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HÒA LƢỚI II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu lượng mặt trời giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo nguyên lý pin quang điện (PV); loại hệ thống PV nối lưới độc lập - Các thuật tốn dị tìm điểm cơng suất cực đại cho hệ thống PV - Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần đa bậc lai - Lập giải thuật mơ mơ hình nghịch lưu lai bậc đề xuất phần mềm MATLAB - Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới biến tần lai Mơ hình hóa mô hệ thống kết nối PV với lưới biến tần lai III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21- 06 - 2013 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM : 30 – 12 - 2013 V- CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN THANH PHƢƠNG CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TS Nguyễn Thanh Phƣơng TS Nguyễn Thanh Phƣơng CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) TS Nguyễn Thanh Phƣơng Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 18 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) PGS.TS Phan Thị Thanh Bình TS Ngơ Cao Cường TS Huỳnh Châu Duy TS Trần Vinh Tịnh TS Hồ Văn Hiến Chủ tịch hội đồng Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV PGS TS Phan Thị Thanh Bình BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày …… tháng năm 2014 BẢN CAM ĐOAN Họ tên học viên: Nguyễn Thiện Mỹ Ngày sinh: 06/6/1964 Nơi sinh: TÂY NINH Trúng tuyển đầu vào năm: 2012 Là tác giả luận văn: Hệ thống lượng mặt trời hòa lưới Chuyên ngành:Kỹ thuật điện Mã ngành: 60520202 Bảo vệ ngày: 18 Tháng 01 năm 2014 Điểm bảo vệ luận văn: 8,0 Chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài theo góp ý Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ: Không Người cam đoan Cán Hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Thiện Mỹ TS Nguyễn Thanh Phương i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực luận văn Nguyễn Thiện Mỹ ii LỜI CÁM ƠN Để hồn thành chương trình cao học viết luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình q thầy Trường Đại Học Cơng Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh Trước hết xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại Học Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy tận tình mang lại kiến thức khoa học cho tơi suốt thời gian học tập trường Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Nhân xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Công ty Điện lực Gia Định tạo nhiều điều kiện để học tập hồn thành tốt khóa học Đồng thời xin chân thành cảm ơn quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện hết lòng động viên tinh thần lẫn vật chất thành viên gia đình suốt thời gian qua Mặc dù tơi có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Học viên thực luận văn Nguyễn Thiện Mỹ iii TĨM TẮT Luận văn trình bày hệ thống pin mặt trời kết nối với lưới Các nội dung nghiên cứu bao gồm:  Mơ hình mơ đặc tính pin mặt trời  Tìm hiểu thuật tốn MPPT thực mơ mạch Buck-Boost converter kết hợp thuật toán MPPT cải tiến Xây dựng giải thuật MPPT tảng Fuzzy logic  Tìm hiểu cấu trúc nghịch lưu phương pháp điều chế  Ứng dụng nghịch lưu đa bậc vào hệ thống điện mặt trời  Mơ hình mơ hệ thống điều khiển kết nối pin mặt trời với lưới biến tần lai bậc  Đánh giá kết mô Các kết mô thu cho thấy hệ thống đưa phù hợp với tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV vấn đề đồng áp phát từ nghịch lưu áp lưới; Dòng điện bơm vào lưới với THD thấp; khơng bơm dịng DC vào lưới; Cấu trúc nghịch lưu đưa khắc phục hạn chế cấu trúc nghịch lưu tập trung, nghịch lưu theo dãy vấn đề tổn thất công suất MPPT tập trung, điều khiển riêng lẻ cho dãy khả mở rộng công suất dễ dàng đạt iv ABSTRACT This thesis presents the control system connected to the grid The research contents include:  Model and simulate characteristics of solar cells  Study on the MPPT algorithm and performance simulation Buck-Boost converter circuit combines MPPT algorithm based on the Fuzzy logic  Understanding the structure and the inverter modulation method  Apply the multilevel inverter on the solar power system  The model simulates control system connected solar inverter with hybrid grid with levels  Evaluate the simulation results The simulation results obtained show that the system in accordance with the standard grid-connected PV systems such as synchronization problem between the pressure emanating from the inverter and the grid voltage; current injected into the grid with low THD; not inject DC current into the grid; inverter structure made to overcome the structural limitations of centralized inverters, inverters ranks as the problem of power loss by the MPPT centralized control individually for each sequence and the ability to expand capacity easily achieved v MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục v Chương 1: Tổng quan 1.1 Tổng quan hướng nghiên cứu 1.2 Tính cấp thiết đề tài, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể đối tượng nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu Chương : Cơ sở lý thuyết 2.1 Năng lượng mặt trời 2.2 Pin quang điện (PV) 2.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động PV 2.2.2 Mạch tương đương PV 10 2.2.3 Mạch PV có tính đến tổn hao 10 2.2.4 Tấm PV 12 2.2.5 Hệ thống dãy PV 13 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV 15 2.3.1 Cường độ chiếu sáng 15 2.3.2 Góc chiếu sáng 16 2.3.3 Hiệu ứng bóng mờ 17 2.3.4 Hiệu ứng nhiệt độ 19 2.3.5 Hiệu ứng thời tiết 21 2.3.6 Hòa hợp tải điện 21 2.3.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời 22 2.4 Điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPP) điều khiển MPPT 23 2.4.1 Điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPP) 23 2.4.2 Bộ điều khiển MPPT 25 [V+Isc*Rs = Vd*(1+(Rs/Rp)+Io*(exp(38.9*Vd)-1)*Rs] để lập mơ hình PV theo V [Isc-I = Io*(exp(38.9*Vd)-1)+(Vd/Rp)] [V = Vd – I*Rs] để lập mơ hình PV theo I - Sơ đồ mơ hình mơđun PV theo I thành lập hình 5.4: Hình 5.4: Sơ đồ mơ hình mơđun PV Ở sơ đồ hình 5.4, Insolation Iref chiếu độ dòng điện ngõ vào PV; Vp Ppv điện áp cơng suất ngõ PV - Chương trình mô môđun PV EC-110-G mô tả phụ lục PL4.2 - Đặc tính mơđun PV EC-110-G mơ với thông số bảng 5.2: Bảng 5.2: Các thông số môđun PV EC-110-G Thông số Ký hiệu Độ lớn Đơn vị Công suất MPP Pp 110 W Điện áp MPP Vp 17 V Dòng điện MPP Ip 6,47 A Điện áp hở mạch VOC 21,3 V Dòng điện ngắn mạch ISC 7,48 A Số cell môđun n 72 cell Nhiệt độ T 25 C 111 - Kết hình 5.5, 5.6: a) b) Hình 5.5: Đồ thị đặc tính mơđun PV EC-110-G ứng với chiếu độ G = 1000W/m2 a) Đặc tính I-V ; b) Đặc tính P-V a) b) Hình 5.6: Đồ thị đặc tính mơđun PV ứng với G = 200, 400, 600, 800, 1000W/m2 a) Đặc tính I-V ; b) Đặc tính P-V - Nhận xét: từ đồ thị mơ phỏng, thấy chiếu độ thay đổi dịng PV thay đổi mạnh, áp PV thay đổi; cơng suất PV bị ảnh hưởng nhiều chiếu độ (tăng chiếu độ tăng ngược lại) 112 5.2.2 Khối 5-level Hybrid Inverter - Khối Hybrid Inverter có chức biến đổi điện áp DC cấp từ hệ PV thông qua khối Buck-Boost converter thành áp AC để bơm vào lưới cấp cho tải cục cần Sơ đồ chi tiết bên khối mơ tả hình 5.15 - Phần mơ đánh giá khả ứng dụng BNL thực chương nên khối tác giả không thực mô lại a) b) Hình 5.7: Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu lai bậc đề xuất a) BNL bậc NPC ; b) BNL bậc thông thường 113 5.2.5 Khối máy biến áp lƣới - Khối máy biến áp thơng số chọn hình 5.15 Hình 5.8: Các thơng số mơ hình khối máy biến áp Hình 5.9: Các thơng số mơ hình khối lưới ba pha 114 4.2.6 Các khối chuyển đổi tín hiệu * Khối chuyển tín hiệu dịng lưới ba pha Iabc sang hệ trục - - Chương trình hàm Matlab viết cho khối chuyển trục Iabc  I sau: function y = converseI(z) ia = z(1); ib = z(2); ic = z(3); c = [ia;ib;ic]; a = sqrt (2/3); b = [1/2 1/2 1/2;1 -1/2 -1/2;0 sqrt(3)/2 -sqrt(3)/2]; [y] = a*b*c ; % [Io;Ialfa;Ibeta] * Khối chuyển tín hiệu dịng hệ trục - sang hệ trục d-q sau: * Khối vịng khóa pha PLL: * Khối chuyển tín hiệu áp hệ trục d-q sang hệ trục - sau: 115 * Khối chuyển tín hiệu áp hệ trục - sang hệ trục abc để làm áp điều chế cho nghịch lưu sau: * Khối điều chế so sánh sóng mang để điều khiển nghịch lưu sau: 5.3 Mơ hình hệ thống điều khiển hồn chỉnh Sau mơ hình hóa khối cho hệ thống, ta mơ hình hệ thống điều khiển hồn chỉnh hình 5.17 5.4 Mơ hệ thống kết nối PV với lƣới điện biến tần lai Các thơng số cho việc mơ từ mơ hình đưa hình 5.17 mơ tả bảng 5.5 116 Bảng 5.5: Các thơng số cho việc mơ mơ hình đưa Khối Thơng số Công suất MPP (Pp) Điện áp MPP (Vp) Module PV 110W 17V Dòng điện MPP (Ip) 6,47A Điện áp hở mạch (VOC) 21,3V Dòng điện ngắn mạch (ISC) 7,48A Số cell module Tổng công suất nguồn Vd, nguồn gồm module mắc PV array Giá trị 72 2,2kW x 550W nối tiếp nguồn 2Vd, nguồn gồm 10 module 1100W mắc nối tiếp Công suất 20kVA 3-phase Điện áp dây sơ cấp (rms) 220V Transformer Điện áp dây thứ cấp (rms) 380V Tần số 50Hz 3-phase Grid Điện áp dây (rms) / Tần số 380V/ 50Hz 3-phase Load Điện trở / cuộn dây 10/100mH Carrier wave Tần số 6kHz Kết mơ thu sau: Hình 5.10: Dạng sóng áp điều khiển 117 Hình 5.11: Dạng sóng sóng mang 6kHz Hình 5.12: Dạng sóng áp pha ngõ nghịch lưu Hình 5.13: Dạng sóng dịng điện ngõ nghịch lưu Hình 5.14: Dạng sóng điện áp dây điểm kết nối chung (PCC) 118 Hình 5.15: Dạng sóng dịng điện ba pha PCC Hình 5.16: Dạng sóng dịng điện PCC với trường hợp lưới bị điện (0.04-0.06s) Hình 5.17: Dạng sóng dịng điện ba pha PCC 119 Hình 5.18: Dạng sóng áp pha A hệ thống phát lưới đồng Hình 5.19: Phổ hài dịng điện pha A điểm kết nối chung 120 Hình 5.20: Tỉ lệ dòng hài bậc đến bậc 10 điểm kết nối chung Hình 5.21: Phổ hài điện áp pha A điểm kết nối chung 121 5.5 Nhận xét đánh giá kết mô Từ mô hình mơ phần 5.4, ta tiến hành phân tích phổ sóng hài dịng áp điểm kết nối chung Kết hình 5.18, 5.19 5.20 Từ kết mô phân tích phổ sóng hài, ta rút số nhận xét sau:  Dịng điện bơm vào lưới có độ méo dạng thấp, THDI = 0.33% (hình 5.18), nhỏ nhiều so với cấu trúc đưa báo khảo sát chương 1: [1] (THDI = 7.5%), [2] (THDI = 1.85%), [3] (THDI = 2.5%)  Tổng dòng hài từ bậc đến bậc 10 điểm kết nối chung 0.46% (hình 5.19), so với giới hạn tiêu chuẩn IEC61727, IEEE1547 [4] 4%  Tỉ lệ dòng DC bơm vào lưới khơng (hình 5.19)  Điện áp phát từ hệ thống lưới đồng biên độ, góc pha tần số (hình 5.17)  Khi lưới bị cố điện, nghịch lưu ngừng cấp điện cho lưới vịng 0.007s Khi lưới có điện trở lại, sau khoảng 0.01s nghịch lưu tiếp tục bơm dịng vào lưới (hình 5.15 5.16)  So sánh thông số mô (sự đồng bộ, số THD, tỉ lệ bơm dòng DC vào lưới, tổng dòng hài bậc đến bậc 10, v.v.) thu với tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV theo tiêu chuẩn IEC61727, IEEE1547 bảng 5.1 cấu trúc cho hệ thống nối lưới PV [4], khẳng định cấu trúc nghịch lưu lai bậc đưa thích hợp cho việc điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới 122 Chƣơng KẾT LUẬN 6.1 Những vấn đề giải luận văn  Nghiên cứu, tìm hiểu vấn đề liên quan PV, thuật toán MPPT, dạng hệ thống PV nối lưới hoạt động độc lập; vấn đề kết nối PV với lưới  Mơ hình mơ đặc tính PV, array PV kết hợp mạch BuckBoost converter qua thuật toán MPPT sở logic mờ  Đã tìm hiểu cấu trúc nghịch lưu đa bậc phương pháp điều khiển  Đã phân tích thuật tốn PWM, mơ đánh giá chất lượng điều chế nghịch lưu lai bậc Từ áp dụng vào hệ thống điều khiển kết nối PV với lưới  Mơ hình mô hệ thống điều khiển kết nối PV với lưới dùng biến tần lai bậc * Kết đạt đƣợc cụ thể nhƣ sau:  Với thuật tốn MPPT sở logic mờ, cơng suất thu từ hệ PV đạt giá trị cực đại ứng với độ chiếu sáng khác  Việc điều khiển nghịch lưu phương pháp vector dòng điện, tín hiệu áp dịng lưới hồi tiếp so sánh với giá trị đặt, sai lệch tạo áp điều chế PWM cho nghịch lưu Do đó, vấn đề đồng hệ thống phát điện từ PV với lưới đảm bảo  Dòng điện bơm vào lưới đạt chất lượng tốt (chỉ số THD thấp, khơng bơm dịng DC vào lưới, tổng dòng hài bậc đến bậc 10 thấp) so với tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV theo tiêu chuẩn IEC61727, IEEE1547 [4] 6.2 Những vấn đề cịn tồn o Chưa xét đến q trình độ nối lưới o Chưa xét đến số tượng tác động nối lưới (hiện tượng cô lập, ngắn mạch, điện áp, tần số,) o Chưa thi công mạch thực để kiểm chứng kết mô 123 * Các hƣớng phát triển đề tài  Nghiên cứu phương pháp khắc phục tượng cô lập, ngắn mạch, điện áp, tần số  Nghiên cứu giải trình độ nối lưới hệ PV  Thi cơng mơ hình thực nghiệm kết nối lưới dùng cấu trúc nghịch lưu lai bậc 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N.A Rahim, J Selvaraj, C Krismadinata, “Five-level inverter with dual reference modulation technique for grid-connected PV system”, Crown Copyright 2009 Published by Elsevier Ltd [2] Longhua Zhou, Qing Fu, Xiangfeng Li, and Changshu Liu, “A Novel Photovoltaic Grid-connected Power Conditioner Employing Hybrid Multilevel Inverter”, 2009 [3] Seul-Ki Kim, Jin-Hong Jeon, Chang-Hee Cho, Eung-Sang Kim, Jong-Bo Ahn, “Modeling and simulation of a grid-connected PV generation system for electromagnetic transient analysis”, Korea Electro-technology Research Institute, Seongju-dong 28-1, Changwon, Republic of Korea, 2009 [4] Gabriele Grandi, Darko Ostojic, Claudio Rossi, “Dual Inverter Configuration for Grid-Connected Photovoltaic Generation Systems”, Department of Electrical Engineering, University of Bologna, Italy, 2007 125 ... khỏi hệ thống hệ thống điện mặt trời nối lưới cần nghiên cứu để sử dụng hiệu nguồn lượng Do điện phát từ hệ thống điện mặt trời dạng DC có điện áp cơng suất ngõ phụ thuộc vào thay đổi xạ mặt trời. .. hệ thống điện mặt trời  Mơ hình mơ hệ thống điều khiển kết nối pin mặt trời với lưới biến tần lai bậc  Đánh giá kết mô Các kết mô thu cho thấy hệ thống đưa phù hợp với tiêu chuẩn nối lưới hệ. .. nhiều Để hệ thống điện mặt trời hoà vào lưới truyền tải phân phối hệ thống điện mặt trời phải giải vấn đề chuyển đổi từ DC sang AC ổn định điện áp ngõ hệ Mặt khác hiệu suất PIN mặt trời thấp