Đề tài thiết kế bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

1 I. Đặt vấn đề : Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu có nguồn gốc năng lượng hóa thạch luôn gây ô nhiễm môi trường, đang cạn kiệt dần và làm cho trái đất ấm dần lên. Việc tìm ra nguồn năng lượng sạch, vô tận luôn là ưu tiên hàng đầu. Năng lượng mặt trời, năng lượng gió đã thỏa mãn được những yêu cầu trên, nhưng có công suất không lớn và rất không tập trung. Để tậ n dụng có hiệu quả, cần phải kết nối các nguồn năng lượng này thông qua hệ thống lưới điện phân phối có sẵn bằng các bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với điện xoay chiều. Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này [1, 2], tuy nhiên các mục tiêu điều khiển chủ yếu tập trung điều khiển dòng công suất tác dụng P và công suất phả n kháng Q với các điều kiện ràng buộc như tần số, điện áp lưới không thay đổi hay điện áp DC của bộ nghịch lưu không thay đổi, tuy nhiên, trong thực tế, các giá trị này thay đổi đáng kể. Đề tài này tập trung xây dựng một giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối lưới AC có khả năng tự động ổn định và điều khiể n dòng điện bơm vào lưới với công suất Q luôn ở mức rất thấp (hệ số công suất luôn từ 0.98 đến gần bằng 1) ngay cả khi đảm bảo điện áp, tần số lưới và điện áp đặt vào bộ nghịch lưu thay đổi. II. Nhiệm vụ của đề tài : Đề tài “Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lướ i điện quốc gia” có nội dung chủ yếu: - Tầm quan trọng của đề tài. - Phân tích sự ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện. - Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng. - Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hòa năng lượng mặt trời vào lưới quốc gia. - Kết quả nghiên cứu của đề tài. III. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện. - Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC. 2 - Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện phân phối. - Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện. - Áp dụng kết quả để tính toán thiết kế. IV. Phương pháp nghiên cứu : 1. Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. 2. Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới đi ện. Ảnh hưởng của các thông số khi hòa. Đề nghị mô hình tính toán cụ thể. 3. Xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực tế. 4. Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị. 5. Đánh giá tổng quát toàn bộ bản đề tài. Đề nghị hướng phát triển của đề tài. V. Điểm mới của đề tài : 1. Tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc hòa đồ ng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia. 2. Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính toán bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia. 3. Góp phần ổn định lưới điện phân phối. 4. Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng. 5. Nguồn năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới khi giờ cao điểm. VI. Giá trị thực tiễn của đề tài : Từ yêu cầu cấp thiết từ thực tế, góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung c ấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng. Nguồn năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới khi giờ cao điểm. Chính vì lý do trên, đề tài: "Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia" được hình thành. 3 Từ công việc nghiên cứu của đề tài: 1. Nhận được kết quả từ một mô hình thiết kế chính xác bộ chuyển đổi năng lượng. 2. Với kết quả nhận được có thể: ¾ Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện. ¾ Giúp các nhà hoạch định chiến lượ c về nguồn năng lượng quốc gia có thêm một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai. ¾ Sử dụng làm tài liệu giảng dạy. ¾ Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia. VII. Nội dung đề tài : Chương 0 : Giới thiệu Chương 1 : Tổ ng quan Chương 2 : Xây dựng sơ đồ bộ nghịch lưu khi kết nối với lưới điện phân phối Chương 3 : Kết quả mô phỏng và nhận xét. Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển 4 1.1. Tính cần thiết. Ngày nay với xã hội phát triển đòi hỏi cần nguồn năng lượng điện lớn. Vì vậy đòi hỏi phải phát triển nhiều nguồn năng lượng điện khác nhau như: nhiệt điện, thủy điện, năng lượng hạt nhân … nhưng những nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt lại ảnh hưởng đến môi trường cũ ng như môi trường sinh thái. Vì vậy cần nguồn năng lượng đảm bảo được các yếu tố trên nhưng lại là vô tận. Phong điện, năng lượng mặt trời được khai thác triệt để nhưng lại rất tốn kém. Với ý tưởng tận dụng những nguồn nhỏ sẵn có của các hộ gia đình công suất nhỏ như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, máy phát Diesel, máy phát biogas s ẽ cùng kết nối vào lưới điện nhằm giảm tải cho lưới điện từ các hộ gia đình và tăng nguồn cung cấp cho hệ thống điện. Kết nối các nguồn điện sẵn có từ các hộ gia đình vào hệ thống điện nhằm đảm bảo liên tục cung cấp điện, chí ít cho chính phụ tải hộ gia đình đang dùng cũng như hạn chế việc quá tải trên đường dây. Việc kết nối này sẽ tận dụng công suất tối đa của các nguồn năng lượng mà các hộ tiêu thụ có thể phát khi tải hộ gia đình nhỏ mà nguồn năng lượng phát lớn. Đây chính là yếu tố nhằm ổn định hệ thống điện khi bị quá tải. Các nghiên cứu về vấn đề này đã được triển khai và t ập trung nhiều về việc điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng. Một vấn đề được quan tâm ngoài hai việc điều khiển trên là: khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời thay đổi, điện áp nguồn lưới phân phối thay đổi, tần số nguồn lưới thay đổi nó sẽ ảnh hưởng đến hệ thống như thế nào. Với phạm vi nghiên cứu c ủa đề tài là nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa vào lưới phân phối một pha có công suất nhỏ là việc rất cần thiết khi các thông số nguồn thay đổi vì nó ảnh hưởng rất lớn đến các khóa điện tử của bộ nghịch lưu. Nhiệm vụ của đề tài nhằm ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới là không đổi khi đ iện áp nguồn năng lượng mặt trời, điện áp và tần số của nguồn lưới điện phân phối thay đổi, cũng như luôn giữ được Q ở mức thấp nhất nhằm nâng cao hệ số công suất. Việc ổn định dòng điện sẽ không làm hư hại các khóa điện tử của bộ nghịch lưu cũng như các thiết bị có trong hệ thố ng đồng thời giảm thiểu tối đa công suất phản kháng Q phát vào lưới. 5 1.2. Hòa đồng bộ hai máy phát. 1.2.1. Hòa đồng bộ. Ta biết rằng thao tác hoà đồng bộ hai máy phát là chọn điểm đồng bộ để đóng áp to mát của tổ máy hoà lên lưới là việc song song với tổ máy phát đang làm việc trên lưới. Điểm hoà chính xác là điểm thỏa mãn các điều kiện sau: - Biên độ Sđđ máy hòa bằng điện áp lưới E h =U l - Giá trị tần số của máy hoà phải bằng tần số của lưới F h = f l - Các tổ máy phát phải có cùng thứ tự pha - Góc lệch giữa hai véc tơ E h ,U l bằng "không " Để phân tích các điều kiện ta có thể giả thiết các máy phát đang làm việc khi thực hiện hoà đồng bộ chính xác phải làm sao để dòng điện cân bằng chạy giữa các máy phát điện có giá trị nhỏ nhất để máy phát không hỏng, các máy phát hoạt động song song bình thường. Nếu các điều kiện hoà song song được thoả mãn, đặc biệt góc lệch pha giữa các điện áp pha nằm trong giới hạn cho phép việc hoà song song xẩy ra êm, không có dòng cân bằ ng lớn. Khi các điều kiện hoà song song giữa các máy phát được thỏa mãn hiệu số hình học điện áp giữa điện áp pha của máy phát đang hoạt động và máy phát được hoà phải bằng không và dòng cân bằng vào thời điểm hoà bằng không, cụ thể không có tăng dòng đột biến, không có hiện tượng giao động điện áp trên thanh cái. Nếu các điều kiện hoà đồng bộ chính xác không được thoả mãn từng phần hay toàn bộ khi hòa máy phát vào mạng sẽ có dòng cân bằng và giao động điện áp trên thanh cái với những giá trị khác nhau trên lưới được quy về một tổ máy tương đương gọi là F l. Máy sẽ hoà vào gọi là MF 1. Tại bất cứ thời điểm nào trước khi hoà ta cũng có )sin(2 11 ϕω += tUu ll 22 2sin( ) hh eE t ω ϕ =+ Giả sử ban đầu lấy 21 ϕϕ = = 0 ta coù : 6 ttUueu hl ) 2 sin(.) 2 cos(2 2121 ωωωω −+ =Δ=− Dòng điện cân bằng chạy trong 2 tổ máy phát ở thời điểm hoà được tính theo công thức sau: hl cb XX u I + Δ = ( X l là điện kháng của máy phát tương đương làm việc trên lưới, X h là điện kháng của máy phát hoà) 1.2.2. Phân tích các điều kiện hòa. a. Điều kiện về điện áp. Về trị số độ lớn của điện áp lưới và Sđđ máy hoà không thoả mãn trong khi đó các Điều kiện kia thoả mãn: Lúc đó hl cb XX u I + Δ = > 0 ; độ lớn tuỳ thuộc độ chênh lệch Biểu thị véc tơ chứng minh Điều kiện hoà thứ nhất không thỏa mãn chứng tổ dòng cân bằng còn tồn tại, dòng cân bằng này có giá trị từ 0 –Inm. Hình 1.2: sơ đồ biểu thị vecto khi hòa U UΔ f l Ea Ec δ fh U Eb Uc MFhMF1 A1 Ah Hình 1.1: coâng taùc song song Ea Ua Hình 1.3: sơ đồ vecto khi điện áp không thỏamãn mà các điềukiệnkhácthảomãn 7 b. Điều kiện tần số không thoả mãn. Gỉa sử điện áp các máy phát bằng nhau, tần số khác nhau: U l = E h = U, f l ≠ f h Trong trường hợp đó các vecto điện áp của máy đang hoạt động và máy được hoà sẽ lệch nhau một góc δ , Vì tốc độ góc của 2 máy phát 21 , ωω không bằng nhau nên góc δ thay đổi từ 0-180 0 , hiệu số hình học các điện áp nằm trong giới hạn từ 0-2U. Vào thời điểm hoà máy phát điện 1 vào mạng sẽ xuất hiện dòng cân bằng, giá trị của nó phụ thuộc hiệu hình học điện áp UΔ . Vì điện trở tác dụng của cuộn dây stator nhỏ so với điện trở kháng nên vecto dòng cân bằng cb I lệch pha với vếc tơ điện áp UΔ một góc 90 0 . Dòng cân bằng có giá trị đủ lớn gây ra va đập cơ học trên trục các máy phát làm hư hỏng nặng. Gía trị biên độ dòng cân bằng vào thời điểm hoà đối với máy phát có cuộn ổn định khi '''' 2 '' 1 ddd EEE == được xác định bằng biểu thức sau: 2 sin 2.2 '' 2 '' 1 '' '' δ ++ = dcd dy yp xxx Ek i '' 2 '' 1 , dd EE - Sức điện động của máy phát 1 và máy phát 2 có điện trở kháng siêu dẫn dọc trục. '' 2 '' 1 , dd xx - Điện trở kháng siêu dẫn dọc trục của máy phát 1 và máy phát 2. x c Điện trở kháng, qua điện trở đó máy phát 1 được hoà với máy phát 2. k y Hệ số va đập, có tính đến thành phần không chu kỳ của dòng điện. 2 Hệ số xác định biên độ thành phần có chu kỳ dòng điện. Dòng cân bằng đạt giá trị cực đại khi 0 180 =δ '' 2 '' 1 '' '' 22 dcd dy yp xxx Ek i ++ = Dòng cân bằng tăng đột ngột rất lớn, có thể đạt giá trị bằng từ 10 đến 15 lần dòng định mức tạo ra lực điện động rất lớn trong cuộn dây stator làm hỏng các cuộn dây đó. 8 Hồ song song máy phát khi góc lệch pha δ lớn cũng giống như ngắn mạch trên thanh cái trạm phát điện. Trong trường hợp đómáy phát được hồ khơng thể được kéo vào đồng bộ, các máy phát khác bị ngắt khỏi mạng nhờ thiết bị bảo vệ và rời khỏi đồng bộ. Dòng cân bằng đạt giá trị cực đại khi UU 2,180 0 =Δ= δ (2Eh) Nếu hệ thống điện năng có 2 máy phát giống nhau nên 0, '' 2 '' 1 ≈= cdd xxx , trong trường hợp xấu nhất 0 180 = δ khi hồ song song, dòng cân bằng đạt giá trị cực đại bằng dòng va đập ngắn mạch 3 pha trên thanh cái của hệ thống: i yp = '' 1 '' 2 d d y x E k Giá trị hiệu dụng chênh lệch điện áp UΔ sẽ biến đổi từ 0 khi góc (δ = 0 0 ) đến 2U khi (δ =180 0 ) và vì vậy dòng cân bằng hl cb XX u I + Δ = = thay đổi trong khoảng từ 0 (δ = 0) đến Inm khi δ= 180 0 ) với tần số là () s lh f ff= − Trong kỹ thuật hồ chính xác người ta thường lấy góc δcp = 7,5 - 10 độ điện c. Điều kiện về thứ tự pha. Thứ tự pha là điều kiện người vận hành thực tế khơng cần quan tâm đến vì khi lắp đặt hay sửa chữa, các nhà máy phải xác định cho đúng trước khi thử cho làm việc song song. Tuy nhiên về bản chất thực sự của thứ tự pha biểu thị chiều quy củ a véc tơ điện áp trong khơng gian. Theo quy ước nếu thứ tự pha thuận sao điện áp sẽ quay ngược chiều kim đồng hộ, trong trường hợp ngược lại là ngược thứ tự pha (biểu diễn trên hình 1.4) Để kiểm tra thứ tự pha người ta có các đồng hồ Phazomet, hoặc thử đơn giản bằng một động cơ điện xuay chiều. Thứ tự thuận theo ngượ c chiều kim đồng hồ là Pha A, Pha B, Pha C Ual Eha1 Eha 2 Ecb1Eb1 EhblEclUbl Uc l Véc tơ điện áp lưới Thứ tự pha thuận Thứ tự pha ngược Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống ba pha véc tơ quay 9 d. Điều kiện về góc lệch pha. Điểm đồng bộ là điểm có góc lệch δ giữa (U l , E h ) = 0. Trong trường hợp đó I cb = 0 . Ở các góc khác δ ≠ 0 thì Icb ≠ 0; Chú ý : Thông thường thì việc chọn điểm đóng áp tomát của máy phát hoà sẽ được thực hiện khi góc θ < 10 độ điện về phía trước khi góc δ giảm tới "0" (điểm đồng bộ) do sự chậm trễ của quan sát, động tác và hệ truyền động cơ khí, trước khi goc θ giảm tới "0" vì như vậy máy hoà vào sẽ nhận ngay một phần nhỏ t ải của máy đang làm việc, trường hợp ngược lại máy hoà sẽ trở thành chế độ công suất ngược làm cho tải của máy đang làm việc trên lưới tăng lên. 1.3. Các nghiên cứu khoa học liên quan. Có nhiều các nghiên cứu về việc kết nối nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện đã được công bố đơn cử như: Active and Reactive power controller for single-phase Grid- connected photovoltaic syntems” [1], Digital power factor control and reactive power regulation for grid-connected photovoltaic inverter [2], Application of Z-source converter in photovoltaic grid-connected transformer-less inverter [4], A software application for energy flow simulation of a grid connected photovoltaic system [5]…… tất c ả các nghiên cứu trên đều nhắm đến điều khiển công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q và điều khiển dòng điện bơm vào lưới điện. 1.3.1. Điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q khi kết nối nguồn năng lương mặt trời vào lưới điện [1]. Phân tích phương trình khi kết nối. sin( ) cos( ) s EXI δ ϕ = cos( ) sin( ) s EU PUI X ϕ δ == 2 sin( ) cos( ) ( cos( ) ) sss EU U U QUI E U XXX ϕδ δ == −= − Trong đó E là điện áp nguồn năng lượng mặt trời, U là điện áp của lưới, δ là góc lệch giữa E và U, ϕ là góc lệch giửa U và I. Điện áp của nguồn lưới được tính. sin( ) sin( ) mmm uU t U ω θ == P δ  và EQ Δ  10 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu. sin( ) mm eE θ δ =+ Trong đó: mm EU E=+Δ Vậy với nghiên cứu trên để điều khiển công suất tác dụng P bơm vào lưới thì điều khiển góc lệch δ và muốn điều khiển công suất phản kháng Q bơm vào lưới thì điều khiển EΔ . Sơ đồ điều khiển được biểu diễn hình 1.5. Hình 1.5: sơ đồ điều khiển của [1] Kết quả mô phỏng của phương pháp trên được mô tả tại hình 1.6. Kết quả mô phỏng cho thấy các khoảng thời gian giữa [P,Q]: [0%, 0%], [100%, 0%], [50%, 0%], [50%, 100%], [100%, 0%]. Phương pháp này dùng bộ điều khiển PI so sánh giữa P ref , Q ref với P và Q đạt được. Nghiên cứu này đã đạt được mục tiêu đề ra là điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bơm vào lưới.