Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới điện

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP VŨ CHÍ CƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên, Năm 2020 22 ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP VŨ CHÍ CƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8.52.02.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Hữu Công Thái Nguyên, Năm 2020 33 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu riêng cá nhân, tơi tự nghiên cứu, thực tỏng hợp dựa hướng dẫn PGS TS Nguyễn Hữu Công- PGĐ Đại học Thái Nguyên Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo trích dẫn phần tài liệu tham khảo Các số liệu, chương trình phần mềm kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố nghiên cứu khác Tơi xin khẳng định trung thực lời cam đoan trên./ Thái Nguyên, ngày 18 tháng 09 năm 2020 Học viên Vũ Chí Cường 44 LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, giúp tác giả nhận thức sâu sắc cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận đối tượng nghiên cứu lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức chun mơn vững vàng, nâng cao lực thực hành, khả thích ứng cao trước phát triển khoa học, kĩ thuật kinh tế; có khả phát hiện, giải độc lập vấn đề thuộc chuyên ngành đào tạo phục vụ cho công tác tốt Việc thực nhiều tập nhóm thời gian học giúp tác giả sớm tiếp cận cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền đề cho việc độc lập nghiên cứu hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: PGS TS Nguyễn Hữu Công giúp đỡ, hướng dẫn chu đáo, nhiệt tình q trình thực để tác giả hồn thành luận văn thạc sĩ này; Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình tiến hành thực nghiệm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ; Gia đình, bạn bè tác giả giúp đỡ, tạo điều kiện thời gian, động viên tác giả q trình thực hồn thành luận văn này; Tác giả mong muốn tiếp tục nhận chia sẻ, hỗ trợ tạo điều kiện Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, để luận văn hoàn thiện Xin trân trọng cám ơn! Lạng Sơn, ngày 16 tháng 07 năm 2020 Tác giả luận văn Vũ Chí Cường 55 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu Những kết đạt Cấu trúc luận văn Chương TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 1.1 Phương pháp khai thác, sử dụng nguồn lượng 1.1.1 Tổng quan nguồn lượng 1.1.2 Lợi ích lượng 1.1.3 Các giải pháp lượng loài người 1.2 Tổng quan hệ thống điện lượng mặt trời 1.2.1 Tổng quan 1.2.2 Một số nghiên cứu nước 14 1.2.3 Một số nghiên cứu nước 16 1.3 Kết luận chương 20 Chương HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA 21 2.1 Hệ thống điện lượng mặt trời hòa lưới 21 2.1.1 Pin mặt trời 21 2.1.2 Bộ đóng cắt mềm 23 2.1.3 Bộ biến đổi DC/DC hay Boost Converter 23 2.1.4 Bộ nghịch lưu DC/AC 27 2.1.5 Bộ lọc phía lưới 29 66 2.1.6 Thiết bị điều khiển 29 2.2 Lý thuyết hòa lưới điện 31 2.2.1 Các điều kiện hòa đồng 31 2.2.2 Đồng vị pha hai hệ thống lưới 33 2.3 Kết luận chương 33 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI 35 3.1 Lý thuyết nghịch lưu áp ba pha nối lưới 35 3.1.1 Định nghĩa 35 3.1.2 Phân loại 36 3.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian SVM 38 3.2.1 Thành lập véc tơ không gian 38 3.2.2 Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho véc tơ không gian 29 3.2.3 Trạng thái van véc tơ biên chuẩn 40 3.3 Thiết kế điều khiển cho hệ thống 45 3.3.1 Mô tả Dàn Pin Mặt trời 45 3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển cho Boost Converter 47 3.3.3 Thiết kế mạch điều khiển cho nghịch lưu áp ba pha DC/AC (Voltage Source Inverter - VSI) 55 3.4 Kết luận chương 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 77 88 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu: IΦ: dòng quang điện (A/m2); ID: dòng qua điot (A/m2); IS: dịng bão hồ (A/m2); n: gọi thừa số lý tưởng phụ thuộc vào mức độ hồn thiện cơng nghệ chế tạo pin mặt trời Gần lấy n = 1; RS: điện trở nối tiếp (điện trở trong) pin mặt trời (/m2); Rsh: điện trở sơn (điện trở dò) (/m2) q: điện tích điện tử (C) UDC: Điện áp chiều Q: hàm đo chất lượng mạch UPV, IPV: điện áp dòng điện dàn Pin mặt trời UL, IL: dòng điện ba pha Lưới điện CDC: điện dung DC link isu, isv, isw ba dòng điện pha lưới điện ba pha u, v, w ba cuộn dây pha lưới i s s véc tơ dòng is quan sát hệ tọa độ αβ i f s véc tơ dòng is quan sát hệ tọa độ dq isα isβ thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ αβ θ góc lệch pha hệ tọa độ gốc dq so với hệ αβ isd isq thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ dq Ts chu kỳ cắt mẫu tp, tt thời gian điều chế SVM : Phương pháp điều chế vectơ không gian PWM: Phương pháp điều chế độ rộng xung Uoc điện áp hở mạch Pin mặt trời Isc (short circuit current) dòng điện mạch ngắn Pin mặt trời 88 99 DC – DC: Bộ biến đổi chiều - chiều (Bộ tăng hay Boost Converter) DC – AC: Bộ biến đổi chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu) Chữ viết tắt: Chữ viết tắt Biểu diễn NLMT Năng lượng mặt trời PMT Pin mặt trời BĐK Bộ điều khiển BBĐ Bộ biến đổi NL Nghịch lưu MPPT Dò tìm điểm cơng suất cực đại Ghi tiếng anh Maximum Power Point Tracking PWM Modul điều chế độ rộng xung Pulse - Width – Modulation INC Tăng độ dẫn Incremental Conductance VSI Nghịch lưu nguồn áp Voltage Source Inverter SVM Điều chế véc tơ không gian Space Vector Modulation wt Vabc_prim Vabc_prim wt VdVq_prim Iabc_prim Uabc_ref IdIq_prim IdIq_mes VdVq_conv Iabc_prim Khoi PLL & Do luong Khoi tinh toan Uabc_ref 1/z Pulses Uref P2 Unit Delay Khoi phat xung dieu khien Bo dieu chinh dong Vdc_mes Vdc_mes Vdc_ref VdVq_conv IdIq_ref Iq_ref P1 VdVq_mes Id_ref Vdc_ref Khoi tinh toan Id_ref Hình 3.25 Sơ đồ mơ tả điều khiển nghịch lưu 1/Vnom_dc PI(z) Vdc_mes Id_ref PI Id_ref Vdc_ref Vdc_ref Hình 3.26 Khối tính tốn Id ref Dòng điện Id giá trị Iq = đưa tới khâu điều chỉnh dòng PI(z) IdIq_mes PI PI Saturation IdIq_ref VdVq_mes Rtot_pu1 -K- Feedf orward -KLtot_pu1 Rtot_pu5 -K- -KLtot_pu2 Hình 3.27 Khâu điều chỉnh dòng VdVq_conv m Re VdVq_con v |u| Saturatio n u Uabc_ref sin Im Vnom_sec*sqrt(2)/sqrt(3) wt [ -2*pi/3 2*pi/3 ] -pi/6 Ts*Fnom*(2*pi ) Hình 3.28 Khối tính tốn Uabc_ref Freq Vabc(pu) wt wt Sin_Cos PLL -K- abc V->pu sin_cos -K- abc Vabc_prim dq0 VdVq_prim -T2 Iabc_prim dq0 V->pu1 IdIq_prim sin_cos Hinh 3.29 Mơ tả mạch vịng khóa pha PLL khối đo lường Vabc abc sin(wt ) Vabc sin_cos sin(wt) cos(wt) 2/3*((u[1]*u[4])+(u[2]*u[6])+(u[3]*u[8])) VdVd cos(wt) 2/3*((u[1]*u[5])+(u[2]*u[7])+ (u[3]*u[9])) 0.5 sin(wt-2pi/3) sqrt(3)/ VVq q sin(wt-2pi/3) cos(wt-2pi/3) 1/3 Gain1 sin(wt+2pi/3) sin(wt+2pi/3) cos(wt-2pi/3) cos(wt+2pi/3) Vd= 2/3 (Va*sinwt + Vb*sin(wt-2pi/3) + Vc*sin(wt+2pi/3) Vq= 2/3 (Va*coswt + Vb*cos(wt-2pi/3) + Vc*cos(wt+2pi/3) V0= 1/3 (Va + Vb + Vc ) cos(wt+2pi/3) Hình 3.30 Mơ tả chuyển hệ tọa độ dq0 * Mạch vịng khóa pha PLL (Phase-locked loop): PLL (Phase-locked loop) hệ thống hồi tiếp gồm có dị pha (Phase detector), lọc thông thấp (LPF: Low-pass filter), khuếch đại mạch dao động điều khiển điện áp (VCO: Voltage-controlled oscillator) số mạch PLL VCO thay CCO (Current-controlled oscillator- tạo dao động điều khiển dòng) - Mạch dị pha (Phase detector): Bộ có nhiệm vụ cho tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha (hiệu tần số) hai tín hiệu vào, thường tín hiệu hình Sin dãy xung chữ nhật hay nói cách khác so sánh fin fout VCO điện DC tỉ lệ thuận với độ sai pha hai tần số Có hai loại dị pha: + Dị pha tuyến tính: thường thực mạch nhân tương tự Tín hiệu tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào + Dò pha phi tuyến (dò pha số): thực mạch số (AND, OR, XOR, EXOR…) Tín hiệu vào dãy xung chữ nhật Tín hiệu khơng phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào - Mạch lọc thơng thấp: dùng để lấy tín hiệu tần số thấp, lấy điện DC Trong hệ thống PLL, người ta thường dùng lọc thấp qua bậc để bảo đảm tính ổn định cho hệ thống - Mạch khuyếch khuyếch đại tín hiệu đường truyền, - Mạch VCO: Để phát tần số tỷ lệ với điện ngõ vào Đây khối quan trọng PLL định độ ổn định tần số, đặc trưng giải điều chế tín hiệu, điều tần (FM) Các khái niệm PLL:  Dải bắt (capture range) : Là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải lọt vào để PLL thiết lập chế độ đồng (khố) Nói cách khác dải tần số mà PLL đạt khoá pha việc khoá pha chưa thực  Dải khoá (the lock range): Là khoảng tần số lân cận fN VCO mà PLL đồng tần số fO với tần số fi Dải gọi dải đồng chỉnh (Tracking range) Nguyên lý hoạt động mạch PLL: Thực chất PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào tần số chúng so sánh với pha Vịng điều khiển pha có nhiệm vụ phát điều chỉnh sai sót tần số tín hiệu vào tín hiệu ra, nghĩa PLL cho tần số fO tín hiệu so sánh bám theo tần số vào fi tín hiệu vào Khi khơng có tín hiệu lối vào Vi, điện áp lối khuếch đại Vout = 0, dao động VCO hoạt động tần số tự nhiên fN (được cài đặt điện trở tụ điện bên ngồi) Dị pha số cổng EXOR SPS Dis Vcreiệtec3-spửhasdeụPnLLg cổng EXOR so pha có hai điểm lợi độ lợi toàn giải cao soPierre Giroux, Gilbert Sybille Power System Laboratory, IREQ với H(August cydổro-nQugebekc hác xung ngõ có tần số gấp đơi bất chấp tần số ngõ vào 2007) Discrete Rate Limiter 1/2/pi Discrete Rate Limiter Fo=25H z abc 2nd-Order Filter Mean Vq PID K Ts mod sin_cos abc_to_dq0 Transformatio n sin Controller Mean value 2*pi AGC Freq Sin_Cos Freq Freq 1/z Gain Vabc Automatic Gain Control Hình 3.31 Mô tả Phase Lock Loop PLL cos Sin_Cos Discre te , T s = 1e -06 s Vabc_prim Tin hieu dong bo Vab_luoi2 Vab_VSC1 Vabc_B1 Vabc_luoi2 V_ PV V_PV I_PV I_PV Pulses Clock T o Workspace1 Dieu khien nghich luu Vab_luoi1 Vabc_luoi1 Boost Converter MPPT + m_PV L1 Diode1 + + - v + IGBT1 Vdc v + - N + E Ir + C g (W/m2) - B B b B C C c C Nghich luu Luoi dien Pin mat troi B3 b B b b c C c c L B2 B B C C c 100 kVA b B1 A B C Irradianc e (W/m^2 ) Vab_VSC g Udc Boost V Udc Inverter P_B1_kW P P (kW) Pmean Vm P (kW) P_B1 Vd c _ref - Vdc _m eas Pmean (kW) Va_B1 V D Ir m Duty Cy cle Mod Index Ia_B1 VSC Ir (W/m^2) Boost Vab_VSC Vab_VSC Hình 3.32 Mạch điều khiển toàn hệ thống Va (V) I a (A) Luoi Kết mô Kết mô cho thấy, điện áp đầu hệ thống lượng mặt trời có dạng sóng sin chuẩn Các pha lệch 1200 Dien ap dau cua he thong noi luoi x 10 2.5 1.5 uluoi(V ) 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.1 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 Hình 3.33 Điện áp đầu hệ thống có dạng sin chuẩn nối lưới Hình 3.34 Dịng điện Id Iq 3.4 Kết luận chương Chương tìm hiểu đề xuất phương pháp điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới, bao gồm: - Điều khiển biến tần - Điều khiển tăng DC-DC - Điều khiển trì điểm cơng suất cực đại (MPPT) - Vịng lặp khóa pha Mơ thuật tốn điều khiển cho phần toàn hệ thống Matlab, kết mô cho thấy, dạng điện áp đầu hệ thống điện lượng mặt trời có dạng sóng sin chuẩn, điện áp pha lệch 1200 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn nghiên cứu giải nội dung sau: Tìm hiểu nguồn lượng mặt trời phương pháp khai thác, sử dụng Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước Tìm hiểu hệ thống điện sử dụng lượng mặt trời nối lưới Cụ thể đưa sơ đồ nguyên lý hệ thống; cấu tạo, nguyên lý làm việc sơ đồ thay phận hệ thống điện Chỉ ưu hệ thống điện sử dụng lượng mặt trời nối lưới sâu vào nghiên cứu Vài nét lý thuyết hòa đồng hệ thống điện NLMT với lưới Tìm hiểu đề xuất phương pháp điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới Tiến hành mô phần mềm Matlab – Simulink đưa kết mô Các kết mô thể cách trung thực, khẳng định tính đắn việc xây dựng thuật tốn điều khiển Cần nghiên cứu để tìm cách khắc phục sai lệch mơ hình cho kết nghiên cứu mơ hình tốn học mơ hình thực tế khác không nhiều để kết nghiên cứu với mơ hình tốn học áp dụng trực tiếp cho mơ hình thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] AUROBINDA PANDA ,M K PATHAK and S P SRIVASTAVA;“A single phase photo voltaic inverter control for grid connected system”; Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology Roorkee, Roorkee, Uttrakh and 247667, India [2] Kidegho Gideon Guyo; “Design of a Grid Connected Photovoltaic System for Enhancement of Electrical Power Supply in Kenya”; The degree of Master of Science in (Electrical Engineering) in Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology [3] Department of Energy Technology - Pontoppidanstræde 101 Aalborg University, Denmark; “Control of Grid Connected PV Systems with Grid Support Functions” [4] Genesis Alvarez1, Hadis Moradi, Mathew Smith, and Ali Zilouchian; “Modeling a Grid-Connected PV/Battery Microgrid System with MPPT Controller”; IEEE Smart Village Volunteer, Piscataway, NJ, 08854, USA Tiếng Việt [5] Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải, Trần Gia Khánh; “Điều khiển hệ thống lai lượng gió mặt trời lưới điện thơng minh”; Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐH THÁI NGUYÊN 118(04): 15 – 21; Năm 2014 [6] Nguyễn Phương Nam;“DỰ ÁN: Năng lượng bền vững cho hộ gia đình thị Hà Nội” (SEU-HN 2017) [7] Hồng Trí; “Thiết kế chế tạo mơ hình thiết bị hệ thống kết hợp sử dụng lượng mặt trời gió để sản xuất điện”; Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM [8] Trần Thanh Sơn; “Nghiên cứu thiết kế, lắp đặt mơ hình trạm điện pin mặt trời quy mơ nhỏ có nối lưới điện”, Trung tâm Tiết kiệm lượng Tư vấn chuyển giao công nghệ Đà Nẵng, 2014 [9] Vũ Minh Pháp; “Nghiên cứu nâng cấp mơ hình trạm cung cấp điện kết hợp sử dụng lượng mặt trời nguồn điện lưới Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam”, Viện Khoa học Năng lượng [10] Tình hình ứng dụng dự án điện mặt trời Hà Nội, http://nangluongvietnam.vn/news/vn/dien-hat-nhan-nang-luong-tai-tao/tinh-hinh-ungdung-cac-du-an-dien-mat-troi-tai-ha-noi.html [11] Hệ thống điện lượng mặt trời hòa lưới kW dành cho hộ gia đình, http://www.dattech.com.vn/ung-dung/he-thong-dien-mat-troi-hoa-luoi-3-kw-lap-datcho-ho-gia-dinh.html ... giá số nghiên cứu ngồi nước Chương II xây dựng mơ hình thiết kế hệ thống điện lượng mặt trời, tính chọn mạch động lực Chương III thiết kế hệ thống điều khiển cho điện lượng mặt trời nối lưới, ... NGHIỆP VŨ CHÍ CƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8.52.02.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng... văn thiết kế mạch động lực mạch điều khiển cho hệ thống nối lưới nguồn lượng mặt trời, nhằm bổ sung thêm kết nghiên cứu việc khai thác sử dụng nguồn lượng tái tạo Chương HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG