Nghiên cứu mô phỏng hệ thống biến đổi cầu 3 pha nối lưới PV không biến áp

LỜI NÓI ĐẦU Ngày mà nguồn lượng hóa thạch than đá, dầu mỏ, khí đốt… dần cạn kiệt mức độ khai thác bừa bãi khém khoa học người gây nên tình trạng lãng phí tài ngun thiên nhiên Việc sử dụng nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời hướng khả quan nguồn lượng vô tận không gây ô nhiễm Bộ biến đổi cầu pha nối lưới PV không biến áp, biến đổi DC-AC biến đổi nguồn lượng điện chiều sản xuất từ nguồn lượng mặt trời thành lượng điện xoay chiều phục vụ cho trình sinh hoạt, sản xuất Là hệ thống ứng dụng rộng rãi thực tế Cấu trúc biến đổi vốn không phức tạp vấn đề điều khiển để đạt hiệu xuất cao chất lượng ổn định ln mục tiêu nghiên cứu Vì em môn giao cho đề tài tốt nghiệp “ Nghiên cứu mô hệ thống biến đổi cầu pha nối lưới PV không biến áp” Đồ án gồm chương: Chương 1: Tổng quan lưới điện mặt trời ( lưới PV) Chương 2: Các biến đổi tĩnh Chương 3: Mô đánh giá biến đổi cầu pha Em xin cảm ơn thầy cô môn Điện Tự Động Công Nghiệp đặc biệt thầy GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn hướng dẫn nhiệt tình, với trình tìm hiểu thân giúp em hoàn thành đồ án Hải Phòng, ngày….tháng….năm 2013 Sinh Viên Trần Văn Thuyên CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI (LƯỚI PV) 1.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1.1 Tổng quan lượng mặt trời Trái Đất nhận 174 petawatts (PW) xạ mặt trời đến (sự phơi nắng) Khoảng 30% phản xạ trở lại không gian phần lại hấp thụ đám mây, đại dương vùng đất Bức xạ ánh sáng mặt trời bề mặt Trái Đất chủ yếu nhìn thấy từ cận xạ hồng ngoại tới phần nhỏ xạ tử ngoại Bề mặt Trái Đất, Biển bầu không khí hấp thụ xạ mặt trời, điều làm tăng nhiệt độ chúng Khơng khí ấm có chứa nước bốc từ đại dương tăng lên, gây lưu thơng khí đối lưu Ở tầng cao định bầu khí quyển, nơi nhiệt độ thấp, nước ngưng tụ thành mây, chuyển hóa thành mưa lên bề mặt Trái Đất, hoàn thành chu kỳ nước Tạo nên tượng tự nhiên giông, lốc Ánh sáng mặt trời bị hấp thụ đại dương vùng đất, giữ bề mặt nhiệt độ trung bình 14 °C Cây xanh chuyển đổi lượng mặt trời, sản xuất thực phẩm, gỗ sinh khối từ nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch qua trình quang hợp Tổng số lượng mặt trời hấp thụ bầu khí quyển, đại dương Trái Đất vùng đất khoảng 3.850.000 exajoules (EJ) năm SMIL trích dẫn thơng lượng hấp thụ lượng mặt trời 122 PW Nhân số số giây năm sản lượng 3.850.000 EJ -> Trong năm 2002, lượng so với giới sử dụng năm |archivedate = 2007-09-26}} Mặc dù cường độ ánh sáng ban ngày không đồng Cho nên cần sử dụng lượng ánh sáng mặt trời cách tiết kiệm Những nghiên cứu gần cho thấy việc sử dụng lượng mặt trời khơng thực khả quan chi phí đầu tư lớn giới hạn công suất Việc đầu tư cho hệ thống khơng có lãi chí bị lỗ Việc sử dụng lượng mặt trời bị ảnh hưởng nhiều điều kiện địa lý khí hậu Làm cho khó ứng dụng rộng dãi mà mang tính chất đơn lẻ, cục Bảng 1.1 Năng lượng mức độ tiêu thụ lượng người Năng lượng mặt trời thông lượng tiêu thụ lượng người hàng năm lượng mặt trời 3,850,000 EJ Gió 2,250 EJ Sinh khối 3,000 EJ Sử dụng lượng sơ cấp (2005) 478EJ Sản lượng điện (2005) 56,7 EJ 1.1.2 Điện mặt trời tập trung Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương hệ thống theo dõi để tập trung khu vực rộng lớn ánh sáng mặt trời vào chùm nhỏ Nhiệt tập trung sau sử dụng nguồn lượng cho nhà máy điện thông thường Một loạt công nghệ tập trung tồn tại, phát triển máng parabol tập trung phản xạ tuyến tính Fresnel, đĩa Stirling tháp điện mặt trời Kỹ thuật khác sử dụng để theo dõi Mặt trời tập trung ánh sáng Trong tất hệ thống chất lỏng làm việc làm nóng ánh sáng mặt trời tập trung, sau sử dụng để phát điện lưu trữ lượng 1.2 HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN 1.2.1 Khái quát chung Hệ thống quang điện (lưới PV) hệ thống biến đổi lượng mặt trời thành lượng điện sử dụng sinh hoạt sản xuất Hệ thống quang điện dựa nguyên lý hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện tượng điện - lượng tử, điện tử thoát khỏi vật chất sau hấp thụ lượng từ xạ điện từ, xạ ánh sáng mặt trời Hiệu ứng quang điện người ta dùng với tên Hiệu ứng Hertz, nhà khoa học Heinrich Hertz tìm Cơng nghệ quang điện liên quan trực tiếp đến việc chuyển đổi nguồn lượng mặt trời thành nguồn lượng điện phương pháp tế bào lượng mặt trời Một tế bào lượng mặt trời thường sản xuất thiết bị bán dẫn silicon tinh thể hấp thụ ánh sáng mặt trời tạo điện thơng q trình gọi hiệu ứng quang điện Hiệu tế bào quang điện thể việc chuyển đổi lượng ánh sáng mặt trời thành lượng điện sử dụng có hiệu xuất từ 10-15% Do đó, để sản xuất số lượng đáng kể lượng điện, tế bào lượng mặt trờii phải có điện tích bề mặt lớn Các tế bào lượng mặt trời thường sản xuất riêng lẻ kết hợp lại với thành modul gồm từ 36-72 tế bào quang điện, tùy thuộc vào điện áp dòng điện đầu modul Các modul khác kích thước tùy thuộc vào nhà sản xuất thường từ 0.5 -1 m2 , tạo khoảng 100w/m2 lượng tối đa cho modul với hiệu xuất khoảng 10% Ngoài modul nhóm lại với với khối lượng cấu hình khác (được nói rõ phần sau) Để tạo thành mảng có đặc tính dịng điện điện áp đặc trưng Phân biệt modul mảng quan trọng xem xét cấu trúc điện tử cơng suất Hình 1.1 trình bày PV (photovoltaic) điển hình cấu trúc thành mảng Đối với hệ thống PV điện áp DC đầu số có độ lớn phụ thuộc vào cấu hình mà tế bào quang điện/modul kết nối Mặt khác, dòng điện đầu PV phụ thuộc vào xạ lượng mặt trời có sẵn u cầu biến đổi điện tử công suất chuyển đổi dạng lượng DC thành lượng AC thích hợp Bộ nghịch lưu DC-AC lúc chuyển đổi điện áp DC thành điện áp AC-50Hz Quá trình điều khiển điện áp dòng đầu mảng phải tối ưu hóa điều kiện thời tiết Các thuật tốn điều khiển chun mơn hóa gọi điểm giám sát công suất lớn (MPPT) để liên tục tách số lượng tối đa công suất từ mảng điều kiện khác Quá trình điều khiển MPPT tăng điện áp thường thường biến đổi DC-AC, sử dụng để điều khiển dịng lưới Hình 1.1 Các mảng PV 1.2.2 Cấu trúc hệ quang điện Các modul PV(photovoltaic) nối với thành mảng để sản xuất số lượng điện lớn Các mảng sau kết nối với thành phần hệ thống nghịch lưu để biến đổi nguồn DC thành nguồn AC cung cấp cho hộ tiêu thụ điện Các nghịch lưu cho hệ thống PV thực nhiều chức khác nhau, biến đổi nguồn DC thành nguồn AC tương ứng với yêu cầu sử dụng Nó bao gồm chức cách ly để bảo vệ nguồn PV có vấn đề xảy Biến tần giám sát điều kiện thiết bị đầu cuối modul PV bao gồm MPPT (maximum power point tracking) để tăng tối đa khả tăng lượng MPPT trì hoạt động mảng PV đạt hiệu cao Có thể qua loạt điều kiện đầu vào mà ngày mùa thay đổi dẫn đến thay đổi cường độ thời gian chiếu sáng ánh sáng mặt trời Hệ thống PV cấu trúc thành nhiều cấu hình hoạt động Mỗi cấu hình lại dựa cấu trúc điện tử cơng suất mà kết nối với hệ thống lưới điện Hình 1.2 trình bày cấu hình biến tần tập trung sử dụng Đây cấu trúc phổ biến sử dụng Các modul PV dược kết nối nối tiếp song song với kết nối tới biến đổi tập chúng DCAC Ưu điểm hệ thống : biến tần phận tốn hệ thống mà hệ thống có diện biến tần Cịn nhược điểm hệ thống thiết bị điện tử cơng suất gây tổn hao cao không phù hợp modul diện chuỗi điode Độ tin cậy hệ thống khơng cao Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống mảng PV tập trung Hình 1.3 trình bày kết cấu chuỗi mảng PV Một loạt PV kết nối theo hình thức chuỗi thông thường, 15 kết nối với chuỗi kết nối với thông qua biến tần Ưu điểm hệ thống khơng có tổn thất ghép nối diode chuỗi công suất lớn điểm theo dõi áp dụng cho chuỗi Nhược điểm hệ thống gia tăng chi phí cho biến tần Điện áp đầu vào chuỗi PV đủ lớn để tránh việc phải khuếch đại điện áp Nhưng chi phí cho PV đắt Khuếch đại điện áp thêm vào với chuỗi biến tần để giảm modul PV Chuỗi biến tần đa phát triển chuỗi biến tần đưa qua biến đổi DC-DC để tăng điện áp sau đưa qua biến đổi DCAC để kết nối với lưới Hình 1.3 Các mảng PV với cấu trúc nhiều chuỗi Hình 1.4 trình bày cấu trúc mà modul PV ghép nối với biến tần riêng Thiết kế biết đến modul AC Ưu điểm hệ thống đơn giản để thêm modul modul có biến tần DC-AC riêng Và đươc thực hiến kết nối với lưới kết nối wirings trường biến tần AC với Ngoài độ tin cậy hệ thống đảm bảo khơng có điểm thất bại hệ thống, có tính linh hoạt cao, tổn thất điện hệ thống giảm khơng tương thích phần giảm Tuy nhiên hệ thống mặt chi phí tốn hệ thống PV thơng thường sử dụng thêm biến tần, thiết bị điện tử cơng suất lắp đặt bên ngồi PV nên phải thích hợp với mối trường làm việc ngồi trời Các modul AC lựa chọn đầy hứa hẹn cho tương lai sử dụng cho cá nhân mà không cần am hiểu chuyên ngành Hình 1.4 Cấu trúc modul điện tử công suất AC 1.3 PIN MẶT TRỜI 1.3.1 Khái quát Pin lượng Mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), phần tử bán dẫn quang có chứa bề mặt số lượng lớn linh kiện cảm biến ánh sáng dạng diod p-n, dùng biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Sự chuyển đổi gọi hiệu ứng quang điện Các pin lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng thực tế Do giá thành đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho vùng mà điện lưới khó vươn tới núi cao, ngồi đảo xa, phục vụ hoạt động không gian; cụ thể vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Các Pin lượng Mặt trời thiết kế modul thành phần, ghép lại với tạo thành lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường đặt tịa nhà nơi chúng có ánh sáng nhiều nhất, kết nối với chuyển đổi mạng lưới điện Các pin Mặt Trời lớn ngày lắp thêm phận tự động điều khiển để xoay theo hướng ánh sáng, giống xanh hướng ánh sáng Mặt Trời 1.3.2 Lịch sử Hiệu ứng quang điện phát năm 1839 nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên 1883 pin lượng tạo thành, Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị có hiệu suất 1% Russell Ohl xem người tạo pin lượng Mặt trời năm 1946 Sven Ason Berglund có phương pháp liên quan đến việc tăng khả cảm nhận ánh sáng pin 1.3.3 Nền tảng Tìm hiểu pin Mặt trời, cần chút lý thuyết tảng vật lý chất bán dẫn Để đơn giản, miêu tả sau giới hạn hoạt động pin lượng tinh thể silic Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA bảng tuần hồn ngun tố hóa học, tức có electron lớp ngồi Silic ngun tố khơng tìm thấy tự nhiên mà tồn dạng hợp chất phân tử thể rắn Cơ có loại chất rắn silicon, đa thù hình (khơng có trật tự xếp) tinh thể (các nguyên tử xếp theo thứ tự dãy không gian chiều) Pin lượng Mặt trời phổ biến dạng đa tinh thể silicon Silic vật liệu bán dẫn Nghĩa thể rắn silic, tầng lượng định, electron đạt được, số tầng lượng khác khơng Đơn giản hiểu có lúc dẫn điện, có lúc khơng dẫn điện Lý thuyết theo thuyết học lượng tử Ở nhiệt độ phịng thí nghiệm (khoảng 28°C), Silic ngun chất có tính dẫn điện (cơ học lượng tử giải thích mức lượng Fermi tầng trống) Trong thực tế, để tạo phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng thêm vào lượng nhỏ ngun tử nhóm III hay V bảng tuần hồn hóa học Các ngun tử chiếm vị trí nguyên tử silic mạng tinh thể, liên kết với nguyên tử silic bên cạnh tương tự tạo thành mạng silic (mạng tinh thể) Tuy nhiên phân tử nhóm III có electron ngồi ngun tử nhóm V có electron ngồi Vì nên có chỗ mạng tinh thể có dư electron cịn có chỗ thiếu electron Vì electron thừa hay thiếu electron (gọi lỗ trống) không tham gia vào kết nối mạng tinh thể Chúng tự di chuyển khối tinh thể Silic kết hợp với ngun tử nhóm III (nhơm hay gali) gọi loại bán dẫn p lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), phần kết hợp với nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi bán dẫn n mang lượng âm (negative) Lưu ý hai loại n p có lượng trung hịa, tức chúng có lượng dương âm, loại bán dẫn n, loại âm di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p 1.3.4 Vật liệu hiệu xuất 10 ... khối biến đổi DC/AC sử dụng biến áp Nhưng với đề tài dao : “ Nghiên cứu mô biến đổi cầu pha nối lưới PV không biến áp? ?? không sử dụng biến áp để tăng điện áp sau biến đổi từ nguồn chiều sang xoay... thêm hệ thống tăng áp Việc tăng áp thực theo cách sử dụng biến áp để biến đổi tăng điện áp xoay chiều có biên độ nhỏ từ đầu biến tần PV DC/AC Mạch lọc Biến áp Lưới Hình 2.1 sơ đồ khối biến đổi. .. sử dụng biến đổi Boots cho công việc biến đổi 2.1 .3 Bộ biến đổi Boots 2.1 .3. 1 Bộ biến đổi boots thông thường a) b) ids iD0 Hình 2.4 Bộ biến đổi boots đơn pha nối tiếp a) ; giản đồ điện áp dòng