Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối llưới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LƯƠNG HIỆP ĐẶNG QUỐC LỢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẶNG QUỐC LỢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số 8520216 : LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài luận văn “Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức hệ thống điện mặt trời nối lưới” thầy PGS.TS Đoàn Quang Vinh hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi; tơi có sử dụng số tài liệu để tham khảo trích dẫn Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Học viên Đặng Quốc Lợi NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Học viên: Đặng Quốc Lợi Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Ngày nay, hệ thống điện mặt trời sử dụng rộng rãi thiếu lượng toàn giới Tuy nhiên, Việt Nam, mặc có nguồn lượng mặt trời dồi việc nghiên cứu ứng dụng chúng để sản xuất điện hạn chế Để đạt dòng điện bơm vào lưới điện hình sine, giảm tỉ lệ sóng hài nguồn DC bơm vào lưới, luận văn nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu lai mức kiểu Cascade diode kẹp 3/2 (bao gồm nghịch lưu ba mức 01 nghịch lưu hai mức kiểu NPC) vào hệ thống điện mặt trời nối lưới Để hệ thống điều khiển điện mặt trời nối lưới, ta sử dụng mạch mạch vòng dòng điện kết hợp với kỹ thuật điều chế sóng mang PWM Mặt khác, để pha tần số dòng đặt bám theo điện áp lưới, ta sử dụng vịng lặp khóa pha (PLL- Phase Lock Loop) để điều khiển Kết mô hệ thống: dịng điện ba pha bơm vào lưới hình sine, THDI = 0.31%, tổng dòng hài từ bậc đến bậc 10 nguồn bơm vào lưới 0.37%, tỉ lệ dòng DC bơm vào lưới 0.02% Khi lưới điện bị cố điện, nghịch lưu ngừng làm việc, lưới có điện trở lại nghịch lưu tiếp tục đưa vào làm việc bơm dòng vào lưới điện Từ khóa - pin quang điện, nghịch lưu đa mức, vịng lặp khóa pha, điều chế độ rộng xung, nối lưới RESEARCH APPLICATION MULTILEVEL INVERTER IN SOLAR POWER SYSTEM ON GRID Abstract - Today, solar power systems are being used extensively due to lack of energy around the world However, in Vietnam, despite the abundant sources of solar energy, research and application of them to produce electricity is limited In order to achieve the electric current of the pump into the sinusoidal, reducing the harmonics ratio as well as the DC source to the grid, this thesis investigates the application of hybrid five level inverter type cascade NPC (includes a three-level NPC inverter and a two level NPC inverter) into a grid connected solar system In order to connect the grid connected solar power system, we use a current loop circuit in combination with the PWM carrier modulation technique On the other hand, for the phase and frequency of the current applied to the grid voltage, a phase lock loop (PLL) is used for control Simulation results: Three-phase current injected into the sine screen, THDI = 0.31%, total harmonic current from level to level 10 was 0.37%, DC current injection ratio 0.02% When the power grid fails, the inverter will stop working, when the grid is back, the inverter is immediately put into work immediately and injected into the grid Key words – photovoltage, multilevel inverter, phase lock loop, pulse width modulation, on grid MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài …1 Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiến đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI…………………………………… 1.1 Hiện trạng phát triển điện mặt trời Việt Nam tỉnh Đắk Lắk 1.1.1 Hiện trạng phát triển điện mặt trời Việt Nam 1.1.2 Hiện trạng phát triển điện mặt trời Đắk Lắk 1.2 Pin mặt trời 1.2.1 Tổng quan pin mặt trời 1.2.2 Tấm pin mặt trời (PV module) 10 1.2.3 Mãng PV (PV array) 11 1.2.4 Một số nhân tố ảnh hưởng đến làm việc pin mặt trời 12 1.2.5 Điểm làm việc với công suất cực đại PV 13 1.3 Lý thuyết hệ thống điện mặt trời độc lập 15 1.3.1 Bộ biến đổi DC/DC 16 1.3.2 Bộ nghịch lưu DC-AC 18 1.4 Tổng quan hệ thống điện mặt trời nối lưới 19 1.4.1 Lý thuyết chung hòa đồng nguồn điện 19 1.4.2 Tổng quan nghịch lưu áp nối lưới hệ thống PV 20 1.4.3 Vịng lặp khóa pha PLL 21 CHƯƠNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN……………………………………………………… ……… …………… 23 2.1 Tổng quan nghịch lưu áp đa mức 23 2.1.1 Bộ nghịch lưu áp hai mức 23 2.1.2 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu diode kẹp 25 2.1.3 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (kiểu cascade) 28 2.1.4 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu tụ kèm 29 Cấu trúc nghịch lưu dạng tụ kèm (Flying Capacitor Inverter) tương tự nghịch lưu đa mức kiểu điốt kẹp (thay điốt kẹp tụ điện) 29 2.1.5 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu lai ghép 30 2.2 Một số tiêu chí đánh giá kỹ thuật điều chế độ rộng xung nghịch lưu 33 2.2.1 Chỉ số điều chế (m) 33 2.2.2 Độ méo dạng tổng sóng hài (THD) 33 2.2.3 Tần số đóng ngắt cơng suất tổn hao đóng ngắt 33 2.2.4 Vấn đề Common Mode 34 2.3 Các phương pháp điều chế nghịch lưu áp 34 2.3.1 Phương pháp điều rộng xung sin (SHPWM) 34 2.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO-PWM) 37 2.3.3 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) 39 2.4 Phân tích thuật tốn cho nghịch lưu áp đa mức 40 CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC………………………………………………………… ……… ….44 3.1 Phân tích hoạt động hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức……………………………………………………………… ………… ………44 3.1.1 Module PV 46 3.1.2 Khối nguồn DC 48 3.1.3 Bộ nghịch lưu 50 3.1.4 Khối đo lường: 51 3.1.5 Khối tạo điện áp điều khiển đồng với lưới: 51 3.1.6 Khối điều chế tạo xung kích khóa van 52 3.2 Mô 53 3.2.1 Thông số mô 53 3.2.2 Kết mô 54 3.3 Phân tích đánh giá kết mô 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………… ……………… ….59 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………… ………… … 60 PHỤ LỤC…………………………………………………………………………….61 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Nhu cầu phụ tải toàn quốc miền theo QHĐ VII ĐC dự báo theo kịch sở 2.1 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu NPC mức 27 2.2 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu NPC mức (x = a,b,c) 28 2.3 Điện áp tham chiếu Uxref sóng điều chế nghịch lưu mức kiểu cascade diode kẹp 3/2 42 3.1 Thông số module PV 48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Bức xạ mặt trời tiềm điện mặt trời dự án Buôn Kuốp 1.2 Bức xạ mặt trời tiềm điện mặt trời dự án Buôn Tua Srah 1.3 Bức xạ mặt trời tiềm điện mặt trời dự án Srêpốk 1.4 Sơ đồ thay tương đương PV không xét đến tổn hao 1.5 Sơ đồ ngắn mạch hở mạch PV 1.6 Sơ đồ thay tương đương PV xét đến tổn hao 10 1.7 Cấu trúc PV (a), PV module (b), PV array (c) 11 1.8 Cấu trúc mãng PV với nhiều PV mắc nối tiếp 11 1.9 Cấu trúc mãng PV với nhiều PV mắc song song 11 1.10 Cấu trúc mãng PV đấu nối hỗi hợp (a) đặc tính I-V tương ứng (b) 12 1.11 Ảnh hưởng độ chiếu ứng lên đặc tính I-V PV 12 1.12 Ảnh hưởng độ chiếu lên hiệu hiệu suất PV 13 1.13 Điểm MPP ứng với tải trở 14 1.14 Một cấu trúc hệ thống điện mặt trời độc lập (không dự trữ) 15 1.15 Một cấu trúc khác hệ thống điện mặt trời độc lập (có dự trữ) 15 1.16 Sơ đồ nguyên lý Boost converter 16 1.17 Sự biến thiên điện áp dòng điện ứng với trạng thái On/Off khóa S 17 1.18 Cấu trúc PLL 21 1.19 Mơ hình hóa cấu trúc vịng lặp khóa pha PLL 22 2.1 Cấu trúc nghịch lưu pha mức (a) pha cầu H (b) 23 2.2 Cấu trúc nghịch lưu áp đa mức NPC 25 2.3 Pha A nghịch lưu NPC ba mức 26 2.4 Pha A nghịch lưu áp NPC năm mức 27 2.5 Cấu trúc nghịch lưu đa mức kiểu Cascade (5 mức) 28 2.6 Đơn giản hoá sơ đồ pha A nghịch lưu mức kiểu cascade 29 2.7 Cấu trúc nghịch lưu áp đa mức kiểu tụ kèm (3 mức) 30 2.8 Cấu trúc nghịch lưu đa mức lai kiểu cascade diode kẹp 3/2 30 2.9 Sơ đồ thay tương đương sơ đồ hình 2.8 31 2.10 Phạm vi điều chế tuyến tính phương pháp SPWM 36 2.11 Phương pháp bố trí sóng mang tam giác pha PD 36 2.12 Phương pháp bố trí sóng mang tam giác pha POD 37 2.13 Phương pháp bố trí sóng mang tam giác pha APOD 37 2.14 Phạm vi điều khiển tuyến tính phương pháp SFO-PWM 39 2.15 Bộ nghịch lưu áp pha ba mức NPC vector không gian tương ứng 40 2.16 Mơ hình thuật tốn điều khiển sóng mang PWM cho nghịch lưu 41 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới 44 3.2 Mô hình module PV theo dịng điện I Matlab/Simulink 47 3.3 Đồ thị đặc tuyến I-V (hình a) P-V (hình b) module PV tương ứng với độ chiếu (200, 400, 600, 800, 1000) W/m2 48 3.4 Đồ thị điện áp, dịng điện cơng suất điểm MPP tương ứng với độ chiếu (200, 400, 600, 800, 1000) W/m2 48 3.5 Cấu trúc PV array 1, PV array 2, PV array 49 3.6 Sơ đồ hệ thống nguồn DC 50 3.7 Đồ thị điện áp đầu PV array biến đổi Boost 50 3.8 Mạch động lực nghịch lưu mức kiểu cascade diod kẹp gồm 01 mạch nghịch lưu mức NPC mức NPC 51 3.9 Mô khối đo lường 51 3.10 Khối tạo điện áp điều khiển 52 3.11 Khối tạo xung kích IGBT Inverter 52 3.12 Mơ hình tổng hợp hệ thống Matlab 53 3.13 Sóng điện áp điều khiển ngõ khối tạo điện áp điều khiển 54 3.14 Xung kích IGBT pha A nghịch lưu 54 3.15 So sánh sóng mang đơn vị sóng điều chế pha A để tạo xung kích 54 3.16 Sóng dịng điện pha pha đầu nghịch lưu 55 3.17 Sóng điện áp A đầu nghịch lưu 55 3.18 Sóng dịng điện ba pha điểm đối nối 55 3.19 Sóng điện áp ba pha điểm đối nối 55 3.20 Sóng điện áp pha A đồng lưới inverter 56 3.21 Phân tích phổ hài dịng điện pha A điểm đấu nối 56 3.22 Phân tích tỉ lệ dịng điện bậc dòng điện pha A điểm đấu nối 56 3.23 Phổ hài điện áp pha A điểm đấu nối 57 3.24 Dòng điện ba pha điểm đấu nối điện lưới từ (0.02-0.05s) 57 52 Dòng điện Idref đầu điều khiển điện áp chiều phía ngồi Để trì hệ số công suất hệ thống lấy tham chiếu Iqref = Các tham số KP, KI 02 điều khiển PI mạch vòng điều khiển bên chọn thực nghiệm (KP = 6, KI = 0.5) Điện áp Ud_ref Uq_ref thu đầu điều khiển dòng Hai điện áp chuyển đổi sau chuyển đổi hệ trục tọa độ , hệ tọa độ abc để tạo điện áp điều khiển (điện áp đồng bộ) Ulabc đưa vào khối tạo xung kích (sử dụng kỹ thuật điều chế sóng mang PWM) để điều chế xung đóng/mở khóa van IGBT Hình 3.10: Khối tạo điện áp điều khiển - Chương trình hàm Matlab viết cho khối chuyển trục Iabc  I U  Uabc trình phụ lục phụ lục 3.1.6 Khối điều chế tạo xung kích khóa van Từ điện áp điều khiển Ula, Ulb, Ulc thực việc điều chế theo phương pháp Minimum Offset so sánh với sóng mang đơn vị để tạo tín hiệu kích IGBT Hình 3.11: Khối tạo xung kích IGBT Inverter 53 Khối điều chế tạo xung kích gồm có hai khối con: - Khối offset: có chức tạo điện áp tham chiếu cho nhóm khóa van ba pha theo phương pháp Minimum Common-Mode để đưa vào khối so sánh với tín hiệu sóng mang Khối Offset tạo điện áp tham chiếu mô tả dạng hàm chương trình Matlab trình phụ lục - Khối so sánh tín hiệu sóng mang tạo xung kích: thực việc so sánh điện áp tham chiếu tạo từ khối offset sóng mang đơn vị để tạo tín hiệu đóng cắt khóa van IJBT tương ứng Khối so sánh sóng mang tạo xung kích mơ tả dưới dạng hàm chương trình Matlab trình phụ lục 3.2 Mô 3.2.1 Thông số mô Để mô mỏng hệ thống mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu mức kiểu cascade diode kẹp 3/2, ta chọn thông số sau: - Tổng công suất hệ thống PV: 3.840W - Điện áp đầu hệ thống DC: 02 nguồn điện áp Vd = 160VDC, 01 nguồn điện áp 2Vd = 320VDC - Máy biến áp: ba pha 50Hz, công suất 20kVA, điện áp 220/380V - Tải: ba pha RL nối sao, R = 5, L = 0.004H - Lưới điện: pha pha nối sau, 50Hz Sơ đồ mô tổng hợp hệ thống hồn chỉnh hình 3.12 Hình 3.12: Mơ hình tổng hợp hệ thống Matlab 54 3.2.2 Kết mô Hình 3.13: Sóng điện áp điều khiển ngõ khối tạo điện áp điều khiển Hình 3.14: Xung kích IGBT pha A nghịch lưu Hình 3.15: So sánh sóng mang đơn vị sóng điều chế pha A để tạo xung kích 55 Hình 3.16: Sóng dịng điện ba pha đầu nghịch lưu Hình 3.17: Sóng điện áp A đầu nghịch lưu Hình 3.18: Sóng dịng điện ba pha điểm đấu nối Hình 3.19: Sóng điện áp ba pha điểm đấu nối 56 Hình 3.20: Sóng điện áp pha A đồng lưới inverter Hình 3.21: Phân tích phổ hài dịng điện pha A điểm đấu nối Hình 3.22: Phân tích tỉ lệ dịng điện bậc dòng điện pha A điểm đấu nối 57 Hình 3.23: Phổ hài điện áp pha A điểm đấu nối Hình 3.24: Dịng điện ba pha điểm đấu nối điện lưới từ (0.02-0.05s) 3.3 Phân tích đánh giá kết mơ Từ kết mô mục 3.2.2, ta rút số nhận xét sau:  Điện áp tạo từ hệ thống điện mặt trời điện áp lưới đồng biên độ, góc pha tần số (hình 3.20)  Dịng điện đưa vào lưới có tỉ lệ thành phần DC nhỏ 0.02% (hình 3.22) thấp nhiều so với tiêu chuẩn IEEE1574 [13] (=Urc)+Urb*(Urb>Ura)*(Urb>=Urc)+Urc*(Ur c>Ur) *(Urc>Urb); Min1=Ura*(Ura=Usm) pk1=1;pk4=0; else pk1=0;pk4=1; end; % Xung kich pha B if (Udkb1>=Usm) pb1=1;pb3=0; else pb1=0;pb3=1; end; if (Udkb2>=Usm) pb2=1;pb4=0; else pb2=0;pb4=1; end; if (Udkb3>=Usm) pk3=1;pk6=0; else pk3=0;pk6=1; end; % Xung kich pha C if (Udkc1>=Usm) pc1=1;pc3=0; else pc1=0;pc3=1; end; if (Udkc2>=Usm) pc2=1;pc4=0; 65 else pc2=0;pc4=1; end; if (Udkc3>=Usm) pk5=1;pk2=0; else pk5=0;pk2=1; end; Scanned by CamScanner ... nghịch lưu áp đa mức 40 CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC………………………………………………………… ……… ….44 3.1 Phân tích hoạt động hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch. .. tài nghiên cứu "Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức hệ thống điện mặt trời nối lưới" Mục đích nghiên cứu - Nhằm bước tìm hiểu, nắm bắt làm chủ công nghệ thiết bị liên quan đến điện mặt trời. .. - Đối tượng nghiên cứu: hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới nghịch lưu đa mức thơng qua mơ hình hóa