(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu giải thuật điều khiển các nguồn năng lượng tái tạo công suất nhỏ trong lưới điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN HOÀNG TÂN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 8520201 NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN N

Tính cần thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, lưới điện phân phối ngày càng được cải tạo, nâng cấp và xây dựng mới Với chất lƣợng điện năng đòi hỏi ngày càng cao, đồng thời phải sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên năng lƣợng, đa dạng hóa các nguồn năng lượng sơ cấp cho sản xuất điện, đảm bảo an ninh năng lượng cho tương lai và bảo vệ môi trường Các nguồn điện sử dụng nhiên liệu truyền thống ngày càng cạn kiệt, xu hướng đi tìm những nguồn năng lượng tái tạo để thay thế là rất cần thiết Trong đó, pin quang điện (PV) cung cấp tính linh hoạt cao nhất trong số công nghệ năng lƣợng tái tạo Về mặt lý thuyết, hệ thống PV có thể cung cấp toàn bộ nhu cầu điện của hầu hết các nước trên thế giới Đề tài “Nghiên cứu giải thuật điều khiển các nguồn năng lượng tái tạo công suất nhỏ trong lưới điện” đƣợc học viên tiến hành nghiên cứu nhằm đề ra các giải pháp kỹ thuật, kết hợp và sử dụng hiệu quả giữa lưới điện và các nguồn năng lượng tái tạo nhƣ pin quang điện.

Mục tiêu và nhiệm vụ

 Nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng tái tạo vào hệ thống điện

 Nghiên cứu giải thuật điều khiển các nguồn phân tán.

Phương pháp nghiên cứu

 Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu và tham khảo các công trình khoa học đã công bố

 Phương pháp mô hình hóa mô phỏng được sử dụng để chứng minh tính đúng đắn của giải thuật đề xuất

Giới hạn đề tài

 Chỉ xét đến các nguồn công suất nhỏ hòa lưới điện phân phối 0,4 kV.

Điểm mới của luận văn

 Ứng dụng giải thuật điều khiển thông minh nhằm tối ƣu các nguồn phát vào hệ thống điện.

Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Khai thác nguồn năng lượng sạch, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững, phù hợp với định hướng phát triển nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo của Chính phủ, phù hợp với lộ trình phát triển lưới điện thông minh, hợp phần tích hợp các nguồn năng lƣợng mới của điện lực Việt Nam.

Phạm vi ứng dụng

 Cung cấp điện cho hộ gia đình

 Làm tài liệu tham khảo cho môn học năng lƣợng mặt trời.

Nội dung đề tài

Chương 1: Tổng quan pin mặt trời kết hợp hòa lưới;

Chương 2: Cơ sở lý thuyết;

Chương 3: Ứng dụng DVR điều khiển ổn định các nguồn năng lượng tái tạo công suất nhỏ nối lưới điện;

Chương 4: Kết quả mô phỏng;

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Trương Đình Nhơn

Tiến độ thực hiện đề tài

- Tháng 6 năm 2019: Thu thập tài liệu, viết Chương Mở đầu, Chương 1

- Tháng 7 năm 2019: Viết Chương 2, Chương 3

- Tháng 8 năm 2019: Viết tiếp Chương 3, Bảo vệ chuyên đề

- Tháng 9, 10 năm 2019: Hoàn thiện chuyên đề theo góp ý của các ủy viên hội đồng

- Tháng 12 - 01 năm 2020: Viết tiếp Chương 4

- Tháng 03, 04 năm 2020: Viết tiếp Chương 5 hoàn thiện đề tài, viết tóm tắt, soạn trình chiếu

- Tháng 5 năm 2020: Bảo vệ đề tài

Tình hình phát triển pin mặt trời kết hợp hòa lưới trong nước

Trong bối cảnh nhu cầu điện năng ngày càng cao, nguồn năng lƣợng truyền thống của Việt Nam đang dần cạn kiệt, thì việc tìm và phát triển các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời là hướng đi tất yếu

Trạm pin mặt trời cho tới nay vẫn làm tốt vai trò của mình khi đƣa vào sử dụng Ngoài mục đích đảm bảo cấp điện cho các hộ gia đình, việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo không gây ảnh hưởng cho môi trường, công nghệ tự động điều khiển cao phục vụ công tác nghiên cứu khoa học, là nơi tham quan học hỏi, tiếp cận thực tế cho các sinh viên, kỹ sƣ chuyên ngành.

Tình hình phát triển pin mặt trời trên thế giới

Vài nước trên thế giới tham gia khai thác năng lượng mặt trời Tổng công suất điện năng ở một số nước tăng nhanh chóng, chen nhau những vị trí thứ cao, những top 5, top 10 Bảng số liệu này được xếp hạng các nước thuộc tốp 10 mới

HVTH: Quản Hoàng Tân 5 nhất, căn cứ vào số liệu về tổng điện năng sản xuất theo công nghệ SPV (Solar Photovoltaic) của các nước

Bảng 1 1: Sắp xếp 10 quốc gia có tổng công suất điện mặt trời lớn nhất thế giới

Số thứ tự Tên nước

Tổng điện năng mặt trời (GWp)

Tỷ lệ điện năng mặt trời trong tổng điện năng quốc gia PV%

Hình 1 2: Sự tăng trưởng tổng điện năng mặt trời từ năm 2007 – 2017 [20]

Từ Hình 1.2, ta thấy sự tăng trưởng của tổng sản lượng điện mặt trời theo từng năm, từ 2007 đến 2017 Rõ ràng, trong 5 năm cuối gần đây, đà tăng trưởng diễn ra rất nhanh, gần đến 15 lần Nước Đức vẫn đứng ở vị trí số 1 và giữ tỷ lệ tổng công suất điện mặt trời lớn gấp 3 lần nước đứng thứ 2 Với bảng xếp hạng 2017, các nước lớn như: Đức, Trung quốc, Nhật, Mỹ và Ý nay đã có mặt trong tốp 5 Các nước trong tốp 5 đều có mức tăng trưởng tuyệt đối của tổng sản lượng điện mặt trời 2017 so với

2010, rất cao Nước Ý tăng 17 lần, Mỹ 7 lần, Trung quốc 6 lần, Nhật 4,5 lần và Đức 3,6 lần Vài năm trở lại đây, biến đổi khí hậu ngày càng diễn biến phức tạp, lƣợng phát thải khí nhà kính ra môi trường ngày càng cao Vì vậy, nhiều quốc gia đã chuyển hướng sang phát triển năng lượng tái tạo nói chung và điện mặt trời nói riêng, thay thế cho nguồn nhiệt điện than và dầu ngày càng cạn kiệt tài nguyên và gây ô nhiễm môi trường Tình hình thế giới thúc đẩy Việt Nam có chính sách đầu tư phát triển toàn diện nền công nghiệp điện năng của đất nước Bên cạnh sự phát triển thủy điện, không thể không có chính sách hợp lý đối với sử dụng năng lƣợng tái tạo, trước hết là điện mặt trời

Hình 1 3: Tình hình xây dựng nhà máy pin mặt trời từ năm 2006 – 2019 [21]

Từ Hình 1.3 cho thấy vai trò của điện mặt trời trong nền công nghiệp điện năng ở các nước Tình hình thế giới thúc đẩy Việt Nam có chính sách đầu tư phát triển toàn diện nền công nghiệp điện năng của đất nước Bên cạnh sự phát triển nhiệt điện, không thể không có chính sách hợp lý đối với sử dụng năng lượng tái tạo, trước hết là thủy điện và điện mặt trời.

Ưu điểm của Trạm pin mặt trời kết hợp hòa lưới

Ở Việt Nam, điện mặt trời có tiềm năng phát triển lớn Đặc biệt tại các tỉnh Tây Nguyên với số giờ nắng trong năm từ 2.000 – 2.600 giờ Cường độ bức xạ mặt trời ở khu vực này trung bình từ 4,9 – 5,7 kWh/m 2 /ngày Với những ƣu điểm nhƣ sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng Việc thu giữ năng lượng mặt trời gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường, đồng nghĩa

HVTH: Quản Hoàng Tân 8 với việc không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính Công nghệ tự động điều khiển cao phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học , là nơi tham quan học hỏi, tiếp cận thực tế cho các sinh viên, kỹ sƣ chuyên ngành Đây là tiền đề để phát triển năng lƣợng mới-nguồn năng lƣợng sạch, bền vững Chung tay cùng cả nước và cộng đồng quốc tế thực hiện cam kết chống biến đổi khí hậu, đồng thời bổ sung nguồn điện xanh cho đất nước Chính phủ đã ban hành Chiến lƣợc phát triển năng lƣợng tái tạo tại Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm

2050 (Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015), trong đó có điện mặt trời Đồng thời, suất đầu tư điện mặt trời đã và đang có xu hướng tiếp tục giảm trong thời gian tới.

Nhược điểm của Trạm pin mặt trời kết hợp hòa lưới

Trạm pin mặt trời có công suất nhỏ, hoạt động không ổn định như điện lưới, sản lƣợng điện thu đƣợc cũng không nhiều và đây cũng là lý do vì sao mô hình này chƣa đƣợc nhân rộng Vậy nên, dù năng lƣợng mặt trời ở dạng “nguyên liệu thô”, nhƣng chi phí đầu tƣ để khai thác, sử dụng lại rất cao do công nghệ, thiết bị sản xuất đều nhập từ nước ngoài Hiệu suất thiết bị còn thấp Bên cạnh đó, việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế Về mặt lý thuyết, năng lƣợng mặt trời là một nguồn năng lƣợng sạch, rẻ tiền, nếu sử dụng hợp lý sẽ mang lại lợi ích kinh tế và môi trường Nhưng trong thực tiễn, các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời lại có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp Rào cản lớn nhất hạn chế phát triển điện mặt trời trong thời gian qua là suất đầu tƣ cao, thiếu cơ chế, chính sách và quy hoạch Tại Việt Nam, cùng với tốc độ phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng điện cũng không ngừng tăng Trong khi đó, tiềm năng thủy điện hầu nhƣ đã khai thác hết Vì vậy, việc chuyển hướng sang phát triển năng lượng tái tạo, trong đó có điện mặt trời là hợp lý

Giới thiệu về pin năng lƣợng mặt trời

Pin mặt trời (pin quang điện, tế bào quang điện) là lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời Dùng thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng đƣợc Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.

Tính công suất dàn pin mặt trời Wp

Công suất dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay công suất cực đại (Peak Watt, ký hiệu: Wp), tức là công suất mà dàn pin phát ra ở điều kiện chuẩn: E 0 1000W / m 2 và ở nhiệt độ chuẩn T 25 C 0  0

Nếu gọi E β∑ là tổng cường độ bức xạ trên mặt phẳng nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang, ta có công suất dàn pin mặt trời là:

(2-1) Trong đó : E β∑ đƣợc tính nhƣ sau:

Hình 2 2: Tia ánh sáng của mặt trời chiếu xuống mặt đất

E ∑ : Tổng xạ trên mặt nằm ngang

Tổng xạ: Tổng xạ của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt)

Trực xạ: Bức xạ mặt trời nhận đƣợc khi không khí bầu khí quyển phát tán

Tán xạ: Bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển

Hệ số góc của bề mặt so với mặt trời là: 1 os

Hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất là:

R g : Hệ số bức xạ môi trường xung quanh

B b : Tỉ số bức xạ của bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang:

E ng : Cường độ bức xạ mặt trời tới theo phương bất kỳ

E bng : Cường độ bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với phương nằm ngang

E bngh : Cường độ bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với phương nằm nghiêng Cosθ và cosθ Z đƣợc xác định nhƣ hình vẽ

Góc tới θ: Góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến bề mặt đó

Góc thiên đỉnh θ Z : Góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới (trong trường hợp bề mặt nằm ngang, góc thiên đỉnh là góc tới)

Cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời gian τ, tính từ lúc mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn Với nhƣ sau:

Với là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất ω: tốc độ xoay của trái đất os

Hình 2 3: Các góc của ánh sáng mặt trời chiếu xuống mặt phẳng nằm ngang

E n [W/m 2 ] là cường độ cực đại trong ngày, lấy trung bình của năm theo số liệu đo lường thực tế vĩ độ cần xét Để hệ thống làm việc bình thường ta phải tăng dung lƣợng tấm pin lên, gọi dung lƣợng của dàn pin có kể đến hiệu ứng nhiệt độ là

(2-5) η M (T) là hiệu suất mô đun ở nhiệt độ T

Kết nối hệ thống pin mặt trời

2.3.1 Phương pháp ghép nối pin mặt trời nối tiếp

Kết nối các tấm pin mặt trời với nhau theo mạch nối tiếp đƣợc sử dụng để tăng tổng điện áp hệ thống Để nối dãy các tấm pin với nhau ta kết nối thiết bị đầu cuối dương với cực âm của mỗi tấm pin kế tiếp cho đến khi còn lại với một đầu dương và âm duy nhất s x rad

Hình 2 4: Kết nối nối tiếp các tấm PV

2.3.2 Phương pháp ghép nối pin mặt trời song song

Kết nối các tấm pin mặt trời với nhau theo mạch mắc song song đƣợc sử dụng để tăng tổng công suất hệ thống Để nối dãy các tấm pin với nhau, bạn kết nối thiết bị đầu đầu dương với cực dương của mỗi tấm pin kế tiếp và đầu đầu âm với cực âm của mỗi tấm pin kế tiếp

Hình 2 5: Kết nối song song các tấm PV

2.3.3 Phương pháp ghép nối pin hỗn hợp

Phương pháp này là sự kết hợp giữa phương pháp ghép pin nối tiếp và song song, phương pháp này thường thấy ở các hệ thống có công suất vừa và lớn

Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời

2.4.1 Bộ biến đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC đƣợc sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển đƣợc Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC đƣợc kết hợp chặt chẽ với MPPT MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn Pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khoá điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lƣợng, và một điôt dẫn dòng Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và loại không cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu và flyback Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện vì nhiều lý do an toàn Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn đƣợc dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:

 Bộ giảm áp (buck), Bộ tăng áp (boost), Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)

 Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cúk

Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV còn tuỳ thuộc vào yêu cầu của ắc quy và tải đối với điện áp ra của dãy panel mặt trời

Bộ giảm áp buck có thể định đƣợc điểm làm việc có công suất tối ƣu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC Bộ Buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp Các loại bộ biến đổi DC/DC a Mạch Buck

Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor đƣợc đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa đƣợc xác định theo công thức sau:

Hình 2 7: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck

Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều đƣợc nạp vào tụ C 2 và cấp năng lƣợng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lƣợng 1 chiều từ đầu vào bằng 0 Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Điốt khép kín mạch Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lƣợng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng

Hình 2 8: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck

Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lƣợng qua chu kỳ đóng cắt của khóa: Năng lƣợng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng năng lƣợng thu từ nguồn trong thời gian khóa mở, và năng lƣợng cấp cho tải trong suốt thời gian K khóa bằng năng lƣợng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian K khóa Hay cũng có thể phân tích dựa trên phương pháp sau: Ở điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời gian khóa đóng mở đƣợc duy trì Do: ton toff

Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dòng điện đƣợc tính nhƣ sau:

Trong đó: là dòng tải = giá trị trung bình của dòng điện cảm ứng

Từ các công thức trên suy ra:

Công thức (2-18) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển đƣợc bằng cách điều khiển hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc quy làm chuẩn Hệ số làm việc được điều khiển bằng các phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở T on Do đó, bộ biến đổi này còn đƣợc biết đến nhƣ là bộ điều chế xung PWM Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck đƣợc sử dụng nhiều trong hệ thống pin mặt trời nhất vì nhiều ƣu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời dt dIL

HVTH: Quản Hoàng Tân 18 b Mạch Boost

Hình 2 9: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

Giống nhƣ bộ Buck,hoạt động của bộ Boost đƣợc thực hiện qua cuộn kháng L

Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (T on ) cuộn kháng tích năng lƣợng, khi K đóng (T off ) cuộn kháng giải phóng năng lƣợng qua điôt tới tải

Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra Khi khóa K mở, cuộn cảm đƣợc nối với nguồn 1 chiều Khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua Điốt Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra đƣợc tính theo:

Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh T on trong chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V 1 ở điểm công suất cực đại theo điện áp của tải V o

Hình 2 10: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost c Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy

Hình 2 11: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

Từ công thức (2-20): Do nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể giảm điện áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm,

HVTH: Quản Hoàng Tân 20 làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điốt phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngƣợc với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian

Công thức (2-21) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D Khi thì V in = V out Khi thì V in > V out Khi thì V in < V out

Nhƣ vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của cả ba bộ biến đổi trên đều bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng d Mạch Cúk

Bộ Cúk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp Cúk dùng một tụ điện để lưu giữ năng lƣợng vì vậy dòng điện vào sẽ liên tục Mạch Cúk ít gây tổn hao trên khoá điện tử hơn và cho hiệu quả cao Nhƣợc điểm của Cúk là điện áp ra có cực tính ngƣợc với điện áp vào nhƣng bộ Cúk cho đặc tính dòng ra tốt hơn do có cuộn cảm đặt ở tầng ra Chính từ ƣu điểm chính này của Cúk (tức là có đặc tính dòng vào và dòng ra tốt)

Hình 2 12: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cúk

Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu MPPT

Khi một tấm PV đƣợc mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấm PV đó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I – V và đường đặc tính I – V của tải Giả sử nếu tải là thuần trở thì đường đặc tính tải là một đường thẳng với độ dốc

Hình 2 20: Tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có giá trị thay đổi

Hình 2 21: Đường đặc tính làm việc pin mặt trời và tải thuần trở thay đổi

Nói cách khác, trở kháng của tải bám theo điều kiện làm việc của pin Nói chung, điểm làm việc hiếm khi ở đúng tại vị trí có công suất lớn nhất, vì vậy nó sẽ không sinh ra công suất lớn nhất Mạng nguồn pin mặt trời thường bị quá tải khi phải bù cho một lƣợng công suất thấp vào thời gian ánh sáng yếu kéo dài nhƣ trong mùa đông Sự không thích ứng giữa tải và các tấm pin mặt trời thường làm cho nguồn pin mặt trời bị quá tải và gây ra tổn hao trong toàn hệ thống Để giải quyết vấn đề này, phương pháp MPPT được sử dụng để duy trì điểm làm việc của nguồn điện pin tại đúng điểm có công suất lớn nhất Phương pháp MPPT có thể xác định chính xác đến 97% điểm MPPT Chương này đề cập đến đặc tính làm việc I – V của mođun pin mặt trời và tải, sự tương thích của cả tải và pin, phương pháp điều khiển MPPT, việc áp dụng thuật toán MPPT để điều khiển bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống và giới hạn của phương pháp MPPT

2.5.2 Nguyên lý dung hợp tải

Nhƣ đã nói ở trên, khi PV đƣợc mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PV sẽ do đặc tính tải xác định Điện trở tải đƣợc xác định nhƣ sau:

Trong đó: V o là điện áp ra (V), I o là dòng điện ra (A)

Tải lớn nhất của PV đƣợc xác định nhƣ sau:

Trong đó: VMPP và I MPP là điện áp và dòng điện cực đại Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị R opt thì công suất truyền từ PV đến tải sẽ là công suất lớn nhất Tuy nhiên, điều này thường độc lập và hiếm khi khớp với thực tế Mục đích của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của PV Đây là ví dụ của việc dung hợp tải sử dụng mạch Boost Từ công thức (2 – 20), ta có:

Ta giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ đƣợc

Từ 2 công thức (2-33) và (2-35) ta có:

Hình 2 22: Tổng trở vào Rin đƣợc điều chỉnh bằng D

Từ hình 2.21 trở kháng do PV tạo ra là trở kháng vào R in cho bộ biến đổi Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị của R in đƣợc điều chỉnh giá trị phù hợp với R load

Vì vậy, trở kháng của tải không cần phải quan tâm nhiều miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tử trong bộ biến đổi đƣợc điều chỉnh đúng quy tắc hợp lý

2.5.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT

Như nói trên, điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT định trên đường đặc tính

I – V thay đổi với điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi Như hình 2.21 thể hiện đường đặc tính làm việc I – V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị nhiệt độ (t = 25 0 C) và hình 2.22 thể hiện các đường đặc tính làm việc ở cùng một mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần

Hình 2 23: Đường đặc tính pin mặt trời có cường độ bức xạ thay đổi khi t o hằng số

Hình 2 24: Đặc tính pin mặt trời có t o thay đổi khi cường độ bức xạ là hằng số

Ta nhận thấy có sự dịch chuyển điện áp quan sát đƣợc ở vị trí của điểm MPP Vì vậy điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xác định Thuật toán này là trung tâm của bộ điều khiển MPPT Trong thực tế có nhiều phương pháp được giới thiệu, trong đó đề tài này sẽ tập trung giới thiệu phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O

Kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời với lưới điện

2.6.1 Sự cần thiết kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời với lưới điện

Ngày nay, sản xuất và kinh tế xã hội ngày càng phát triển đòi hỏi nguồn cung năng lƣợng điện tăng theo Vì vậy, chúng ta cần phát triển nhiều nguồn năng lƣợng điện khác nhau nhƣ: Nhiệt điện, thủy điện,…Tuy nhiên, những nguồn năng lƣợng này ngày càng cạn kiệt và ảnh hưởng đến môi trường cũng như môi trường sinh thái Vì vậy, chúng ta cần phát triển nguồn năng lƣợng đảm bảo đƣợc các yếu tố trên nhƣng lại là vô tận Đó là dạng năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời đƣợc khai thác triệt để nhưng lại rất tốn chi phí đầu tư Với ý tưởng tận dụng những nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió, máy phát diesel sử dụng khí biogas,…hòa lưới điện nhằm giảm tải cho lưới điện để tăng nguồn cung cấp cho hệ thống và giảm chi phí đầu tư ắc quy dự trữ Hòa lưới các nguồn điện năng lượng tái tạo vào hệ thống điện nhằm đảm bảo liên tục cung cấp điện, cũng như hạn chế việc quá tải đường dây

2.6.2 Các điều kiện hòa nguồn năng lượng mặt trời với lưới điện

Tùy vào đặc điểm của các nguồn điện hòa đồng bộ mà ta sẽ xác định các thông số khác nhau ảnh hưởng đến quá trình hòa đồng bộ hai nguồn áp

Ta biết rằng thao tác hòa đồng bộ hai nguồn áp là chọn điểm đồng bộ để thiết bị đóng cắt hòa hai nguồn áp với nhau Điểm hòa chính xác điểm thỏa mãn các điều kiện sau: Điện áp máy phát hòa bằng điện áp lưới

Giá trị tần số của máy phát hòa phải bằng tầng số của lưới Điện áp máy phát phải có cùng thứ tự pha với thứ tự pha của lưới

Góc lệch giữa hai véc tơ E h và U l bằng không

HVTH: Quản Hoàng Tân 33 Để phân tích các điều kiện ta có thể giả thiết các máy phát đang làm việc khi thực hiện hòa đồng bộ phải đảm bảo sao cho 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 hòa được thỏa mãn, đặc biệt góc lệch pha giữa các điện áp pha nằm trong giới hạn cho phép việc hòa thành công, không có dòng cân bằng chạy giữa các máy phát Khi các điều kiện hòa giữa các máy phát đƣợc thỏa mãn hiệu số hình học điện áp giữa điện áp pha của máy phát đang hoạt động và máy phát đƣợc hòa phải bằng không và dòng cân bằng vào thời điểm hòa bằng không, cụ thể không có tăng dòng đột biến, không có hiện tƣợng dao động điện áp trên thanh cái Nếu các điều kiện hòa đồng bộ chính xác không đƣợc thỏa mãn từng phần hay toàn bộ, khi hòa máy phát vào mạng sẽ có dòng cân bằng và dao động điện áp trên thanh cái Chẳng hạn ta giả định máy phát làm việc trên lưới là MF l và máy sẽ hòa vào gọi là MFh

Tại bất cứ thời điểm nào trước khi hòa ta cũng có:

Giả sử ban đầu lấy ta có (2-40)

Dòng điện cân bằng chạy trong 2 tổ máy phát ở thời điểm hòa, tính theo công thức:

Trong đó: X l : Điện kháng của máy phát tương đương làm việc trên lưới

X h : Điện kháng của máy phát hòa

2.6.2.1 Điều kiện về biên độ điện áp

Về trị số độ lớn của điện áp lưới và suất điện động máy hòa không thỏa mãn trong khi đó các điều kiện kia thỏa mãn:

Lúc đó: (2-42) Độ lớn I cb tùy thuộc độ chênh lệch của điện áp pha

Biểu thị véc tơ chứng minh điều kiện hòa thứ nhất không thỏa mãn, chứng tỏ dòng cân bằng còn tồn tại, dòng cân bằng này có giá trị từ 0 - I n

Hình 2 25: Sơ đồ véc tơ khi điện áp không thỏa mãn 2.6.2.2 Điều kiện về tần số

Giả sử điện áp các máy phát điện bằng nhau: , tần số khác nhau:

Trong các trường hợp đó thì các véc tơ điện áp của máy phát đang hoạt động và máy phát được hòa lưới sẽ lệch nhau một góc δ Vì tốc độ gốc 2 máy phát ω 1 , ω 2 không bằng nhau nên góc δ thay đổi từ , hiệu điện áp nằm trong giới hạn từ Vào thời điểm hòa máy phát điện vào lưới sẽ xuất hiện dòng cân bằng, giá trị của nó phụ thuộc độ lớn ∆U Vì điện trở tác dụng của cuộn dây stator nhỏ so với trở kháng nên véc tơ dòng cân bằng lệch pha với véc tơ điện áp một góc

90 0 Dòng cân bằng có giá trị đủ lớn gây ra va đập cơ học trên trục các máy phát làm hƣ hỏng nặng cb 0 l h

Giá trị biên độ cân bằng thời điểm hòa lưới đối với máy phát khi đƣợc xác định bằng biểu thức sau:

E” d1 , E” d2 : Sức điện động máy phát 1 và máy phát 2 có điện trở kháng siêu dẫn dọc trục x”d1, x”d2 : Điện trở kháng siêu dẫn dọc trục của máy phát 1 và máy phát 2 x c : Điện trở kháng, qua điện trở kháng đó máy phát 1 hòa với máy phát 2 k y : Hệ số va đập, có tính đến thành phần không chu kỳ của dòng điện

√ : Hệ số xác định biên độ thành phần có chu kỳ dòng điện

Dòng cân bằng đạt giá trị cực đại khi

Dòng cân bằng tăng đột ngột rất lớn, có thể đạt giá trị bằng 10 đến 15 lần dòng định mức tạo ra lực điện động rất lớn trong cuộn dây stator làm hỏng các cuộn dây đó

Hòa song song máy phát khi góc lệch pha lớn cũng giống nhƣ ngắn mạch trên thanh cái trạm phát điện Trong trường hợp đó máy phát được hòa không 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 , d1 d2 d

Nếu hệ thống điện năng có 2 máy phát giống nhau nên, , trong trường hợp xấu nhất khi hòa song song, dòng cân bằng đạt giá trị cực đại bằng dòng va đập ngắn mạch 3 pha trên thanh cái của hệ thống:

Giá trị hiệu dụng chênh lệch điện áp sẽ biến đổi từ 0 khi góc khi và vì vậy dòng cân bằng thay đổi trong khoảng từ 0 ( ) đến I nm khi với tần số là Trong kỹ thuật hòa lưới chính xác người ta thường lấy

2.6.2.3 Điều kiện về thứ tự pha

Thứ tự pha là điều kiện người vận hành thực tế không 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 ƣớc của véc tơ điện áp trong không gian Theo quy ƣớc nếu thứ tự pha thuận véc tơ điện áp sẽ quy ngược chiều kim đồng hồ, trong trường hợp ngược lại là ngược thứ tự pha đƣợc thể hiện ở hình 2.26

Hình 2 26: Sơ đồ hệ thống ba pha véc tơ quay d1 d2 x”  x” x c  0

Véc tơ điện áp lưới Thứ tự pha thuận thuận

Thứ tự pha ngƣợc ngƣợc

HVTH: Quản Hoàng Tân 37 Để kiểm tra thứ tự pha ta có đồng hồ Phazomet hoặc phép thử đơn giản bằng một động cơ xoay chiều

2.6.2.4 Điều kiện về góc lệch pha Điểm đồng bộ là điểm có góc lệch giữa U l và E h bằng 0 Trong trường hợp đó Ở các góc khác thì

Chú ý: Thông thường thì việc chọn điểm đóng áp to mát của máy phát hòa lưới sẽ được thực hiện khi góc điện về phía trước khi góc giảm tới “0” (điểm đồng bộ) do sự chậm trể của quan sát, động tác và hệ truyền động cơ khí, trước khi góc giảm tới “0” vì như vậy máy hòa lưới sẽ nhận ngay một phần nhỏ tải của máy đang làm việc, trường hợp ngược lại máy hòa lưới sẽ trở thành chế độ công suất ngược làm cho tải của máy đang làm việc trên lưới tăng.

Tổng quan về hệ thống boost điện áp DC

2.7.1 Mô hình mạch Boost PFC 1 nhánh

Hình 2 27: Sơ đồ mạch boost PFC Nguyên lý hoạt động của mạch Boost PFC 1 nhánh:

Khi van S đóng: Diode D khóa do bị phân cực ngƣợc bởi tụ C Năng lƣợng trong tụ

C xả qua tải R, dòng điện từ nguồn dương qua cuộn L qua van S rồi trở về nguồn âm Khi van S cắt: Diode D phân cực thuận dẫn dòng từ nguồn qua cuộn L nạp cho tụ C với cực tính nhƣ hình 2.31

Cuộn L đổi cực tính, điện áp nạp cho tụ C là:

Do vậy điện áp ngõ ra của mạch boost cao hơn điện áp ngõ vào

Hình 2 28: Dòng điện và điện áp vào bộ boost PFC

Trong trường hợp tính toán cho mạch điện có điện áp đầu ra (400Vdc) cao hơn điện áp đầu vào (180-240V) Ta sẽ xét các trạng thái đóng cắt của van S để tìm ra mối quan hệ giữa các giá trị đầu ra, đầu vào và các thành phần trong mạch để đƣa ra những phương pháp chọn thiết bị và điều khiển phù hợp nhất với thông số của mạch theo yêu cầu

2.7.2 Điện áp ra a Xét khi van bán dẫn S đóng: Ta vẽ lại mạch nhƣ sau

Hình 2 29: Sơ đồ thay thế khi van S đóng

HVTH: Quản Hoàng Tân 39 Điện áp đặt trên hai đầu cuộn dây L là:

Dòng điện qua cuộn dây L tăng dần Ta có quan hệ sau:

Nếu xét trong thời gian rất ngắn thì có thể coi điện áp vào là ổn định, tốc độ biến thiên dòng điện qua cuộn L sẽ xác lập Khi đó công thức (2.13) có thể biểu diễn dưới dạng sai phân như sau: (2-47)

Gọi: T ON là chu kỳ dẫn của van S, T là chu kỳ đóng cắt của van S

Từ (2-47) ta có: (2-48) b Xét khi van S bán dẫn mở:

Ta vẽ lại đƣợc mạch nhƣ sau:

Hình 2 30: Sơ đồ tương đương khi van S cắt Điện áp đặt trên cuộn dây L là:

Với giả thiết V L mang giá trị âm và lƣợng biến đổi dòng điện ∆i trên cuộn L cũng mang giá trị âm ta có:

Khi dòng điện qua cuộn dây L đã xác lập tổng lƣợng tăng dòng điện khi van S đóng phải bằng tổng lƣợng giảm dòng điện khi van S hở do đó ta có:

Từ (2-53) ta thấy và D càng lớn thì V 0 càng lớn khi Thông thường ta lấy D trong khoảng

2.7.3 Sự biến thiên điện áp đầu ra

Khi van S đóng cắt tương ứng sẽ là quá trình nạp và phóng liên tiếp của tụ C Khi đó điện áp ra sẽ có sự thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ và tần số đóng cắt của van S Ta có: (2-54)

Do tần số hoạt động của van trong mạch boost khá cao nên ta xem nhƣ:

Với : f là tần số biến thiên điện áp đầu ra

2.7.4 Sự biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục Để đảm bảo đƣợc chức năng cho bộ PFC ta phải thiết kế để mạch Boost PFC hoạt động ở chế độ dòng liên tục

(Ta tính toán đối với trường hợp tải thuần trở R, khi tải mang tính cảm thì giá trị L trong mạch tăng làm cho dòng điện qua nó càng đƣợc mịn hơn)

Khi điện áp và dòng điện qua L đồng pha ta có công suất do nguồn cung cấp:

Hình 2 31: Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây L ở chế độ dòng liên tục

Công suất tiêu thụ của tải:

Bỏ qua tổn hao trên các mạch chuyển đổi ta có:

Từ công thức (2-53), (2-57), (2-58) ta có:

Từ đó ta thấy dòng điện qua cuộn L lớn hơn dòng qua tải R

Từ đồ thị hình 2.35 ta có các biểu thức sau:

Nhƣ vậy để dòng qua L liên tục ta phải có: (2-61)

Với: f là tần số đóng cắt của van S

2.7.5 Mô hình mạch Boost PFC n nhánh

Phương pháp tăng áp 1 nhánh là rất thiết thực nhưng không phải là giải pháp tối ưu về hiệu suất chuyển đổi, phương pháp song song cũng tương tự như phương pháp 1 nhánh có ƣu điểm là giảm dòng đầu vào và điện áp đầu ra nhấp nhô

Hình 2 32: Mạch boost PFC đa bậc

Hình 2.37 là một cấu trúc đa bậc chuyển đổi đƣợc đƣa ra Nhƣng trên thực tế là số nhánh tăng, sẽ kéo theo hệ thống phức tạp và bảo trì trở nên khó khăn Ƣu điểm chính của đan xen là giảm dòng đầu vào và giảm điện áp đầu ra nhấp nhô Những bất lợi của phương pháp đan xen là tăng tín hiệu mạch lái, nhưng tín hiệu đến mạch lái đều đƣợc giai đoạn chuyển bởi số lƣợng quy định tại công thức

Trong công thức (2-66), n là số lƣợng nhánh xen kẽ và k là thứ tự của nhánh xen kẽ rời rạc Trong hình (2.37) tín hiệu PWM áp dụng cho bốn giai đoạn tăng xen kẽ chuyển đổi được đưa ra Trong trường hợp này, xung kích mỗi nhánh mạch boost kẽ sẽ có tín hiệu logic lệch nhau 90 0 Tín hiệu điện áp vào và điện áp

HVTH: Quản Hoàng Tân 44 đầu ra sẽ giảm nhấp nhô theo số nhánh n - giai đoạn chuyển đổi xen kẽ đƣợc phân tích trong các phần sau.

Cơ sở lý thuyết hệ thống nghịch lưu

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp một chiều có thể là: Bình ắc quy, pin điện, điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó Trong các ứng dụng nhỏ và vừa có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT Ở phạm vi công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch Với tải tổng quát, mỗi diode còn trang bị một diode mắc đối song với nó Các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn ngược lại với chiều dẫn điện của các công tắc Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc Theo số pha điện áp ngõ ra : bộ nghịch lưu áp một pha, ba pha …

Theo số cấp giá trị điện áp giữa đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch có: hai bậc (two-level), đa bậc (Multi_level – từ 3 bậc trở lên)

Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (cascade inverter), dạng nghịch lưu chứa diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter),…

Theo phương pháp điều khiển :

 Phương pháp điều rộng, Phương pháp điều biên

 Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH - PWM)

 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modifed PWM)

 Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM – Carrier Based PWM)

2.8.2 Các phương pháp điều chế

Phương thức điều khiển độ rộng xung (PWM):

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu Tín hiệu này sẽ đƣợc so sánh với một tín hiệu răng cƣa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở van công suất Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ

Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lƣỡng cực

Hình 2 34: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung

(vo1 thành phần sin cơ bản, v i điện một chiều vào bộ nghịch lưu, v o điện áp ra) Trong đề tài này em sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực

Có hai phương pháp điều chế cơ bản là:

 Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)

 Phương pháp điều chế vecto không gian (Space Vector Modulation) Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM): Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác v tri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn v c (gọi là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu đƣợc dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển v c và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình 2.40 và Hình 2.41 miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:

Hình 2 35: Mô phỏng sóng mang Vtri và sóng sin chuẩn Vc

Hình 2 36: Nguyên lý điều chế SPWM một pha

Khi: , , Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 2.42 Để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu

Hình 2 37: Nghịch lưu áp ba pha

Hệ số điều chế biên độ ma đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu điều khiển với biên độ của sóng mang:

Trong đó: ma là hệ số điều biến

V c : biên độ sóng điều khiển

V tri : biên độ sóng mang

Trong vùng tuyến tính ( ), biên độ của thành phần sin cơ bản VA01 (điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức: c tri

Nguyên lý điều chế và dạng sóng nhƣ sau:

Hình 2 38: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha Đối với điện áp dây là: (2-69)

Như vậy trong phương pháp này biên độ điện áp dây đầu ra bộ nghịch lưu chỉ có thể đạt 86,7% điện áp một chiều đầu vào trong vùng tuyến tính ( )

Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điều khiển:

Trong đó: m f là hệ số điều chế tần số, f c : tần số tín hiệu điều khiển f tri : tần số sóng mang

Giá trị của m f được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ Nếu m f là một giá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các hài bậc chẵn Giá trị của m f nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài là bội số của ba

Nhƣ vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn vc Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp ra Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần số PWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại tăng lên

Phương pháp điều chế vecto không gian (Space Vector Modulation)

Phương pháp điều chế vector không gian xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó đƣợc mở rộng triển khai trong các hệ số điện ba pha Phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến cuả nó có tính hiện đại, giải thuật dựa chủ yếu vào kỹ thuật số và các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lƣợng xoay chiều ba pha nhƣ điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

Khái niệm vector không gian và phép biến hình vector không gian cho đại lƣợng ba pha v a , v b , v c cân bằng, tức thoả mãn hệ thức: v a  v b  v c  0 (2-71)

Phép biến hình từ các đại lƣợng ba pha v a, v b, v c sang đại lƣợng vector theo hệ thức

Trong đó: (2-73) Đƣợc gọi là phép biến hình vector không gian và đại lƣợng vector gọi là vector không gian của đại lƣợng ba pha Hằng số k có thể chọn với các giá trị khác nhau Với , phép biến hình không bảo toàn công suất

Với phép biến hình bảo toàn công suất.

Hệ thống điện phân tán

2.9.1 Giới thiệu hệ thống điện phân tán

Nguồn phát điện phân tán (Distributed Generation - DG) là mô hình phát điện quy mô nhỏ, nằm gần hoặc ngay tại điểm tiêu thụ điện năng Mặc dù mô hình có hiệu quả kinh tế không cao so với mô hình phát điện tập trung, nhƣng lại có tính dự phòng và độ tin cậy lớn trong cung ứng điện do không phụ thuộc quá nhiều vào hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối Đối phó với nguy cơ biến đổi khí hậu, thiên tai và khủng bố, nhiều nước trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu xây dựng phương án "Quy hoạch thích ứng," bao gồm các mô hình phát điện phân tán địa phương, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các phụ tải đặc biệt quan trọng nhƣ đồn cảnh sát, cứu hoả và các bệnh viện

Các nguồn năng lƣợng dùng cho phát điện phân tán có nhiều dạng nhƣ mô hình Đồng phát nhiệt điện, pin nhiên liệu, các xe ô tô chạy điện, các dạng năng lƣợng tái tạo nhƣ, năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng từ rác thải,… Hiện nay, các tuabin gió và tấm pin năng lƣợng mặt trời đang đƣợc sử dụng khá phổ biến trên thế giới Mô hình phát điện phân tán còn là cách tiếp cận phát triển năng lƣợng tái tạo mà không gây quá tải cho lưới điện Đây cũng là một trong những giải pháp mà các nước trên thế giới sử dụng với mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính.

Khi chi phí sử dụng năng lƣợng tái tạo và chi phí phát điện phân tán tiếp tục giảm, khả năng dự trữ năng lƣợng ngày càng tốt hơn khắc phục yếu điểm về tính không liên tục của các nguồn năng lƣợng tái tạo thì phát điện phân tán sẽ là xu thế được lựa chọn trong tương lai

Bên cạnh đó, nhiệm vụ đƣa điện về cung cấp cho khu vực vùng sâu, vùng xa, vùng nông thôn và hải đảo đang là một thách thức rất lớn đối với Việt Nam khi mà suất đầu tƣ xây dựng hệ thống truyền tải điện rất cao

Theo kết quả khảo sát và đánh giá, hiện nay Việt Nam là một trong những nước có nhiều tiềm năng về phát triển các nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo Báo cáo đánh giá tiềm năng gió và mặt trời do tổ chức AWS Truewind (Mỹ) thực hiện cho thấy, Việt Nam có 128.000 km2 tương đương với 8% diện tích lãnh thổ đạt tốc độ gió là trên 7 m/s, ƣớc tính, tổng công suất tiềm năng về điện gió trên toàn lãnh thổ Việt Nam khoảng 110.000 MW Tổng bức xạ năng lƣợng mặt trời trung bình trên lãnh thổ Việt Nam nằm trong khoảng 1346,8 - 2153,5 kWh/m2/năm, với số giờ nắng trung bình năm là 1.600 – 2.720 h/năm

Tiêu chuẩn đầu tiên đƣợc đƣa ra là phiên bản IEEE 1547, tiêu chuẩn này có các yêu cầu liên quan đến lắp đặt, vận hành, kiểm tra, điều kiện an toàn… của máy phát phân tán kết nối lưới Tuy nhiên tiêu chuẩn này lại chỉ tập trung vào hệ thống điện có tần số 60 Hz (Mỹ) Khi ứng dụng vào hệ thống có tần số 50 Hz đã xuất hiện những điểm không phù hợp (1, 2) Các quốc gia châu Âu cũng phát triển nhiều tiêu

HVTH: Quản Hoàng Tân 52 chuẩn liên quan đến các máy phát DG riêng lẻ Có một số tiêu chuẩn liên quan đến các máy phát đơn lẻ: tuabin gió, pin quang điện, pin nhiên liệu… các tiêu chuẩn này có thể đuợc coi như một nguyên tắc chỉ đạo hướng dẫn kết nối DG với lưới điện

Với mục đích đánh giá và tạo điều kiện tham khảo cho Việt Nam khi kết nối DG vào các hệ thống cung cấp điện, chúng tôi xin trình bày tổng quan về các tiêu chuẩn kết nối DG với hệ thống cung cấp điện, của một số nước và tiêu chuẩn IEEE

2.9.2 Tiêu chuẩn kết nối và yêu cầu kỹ thuật của nguồn phân tán

2.9.2.1 Công suất đặt cực đại của DG

Khả năng tải của máy biến áp, cáp, dây dẫn, thiết bị chuyển mạch đƣợc sử dụng để xác định mức công suất cực đại của DG có thể lắp đặt ví dụ ở Bỉ, công suất thiết kế của DG phải nhỏ hơn khả năng của máy biến áp MV/LV hoặc HV/MV phù hợp với tiêu chuẩn (n-1) Ở Italia, yêu cầu công suất lắp đặt của DG phải nhỏ hơn 65% trong mạng trung và hạ áp Trong khi đó, Tây Ban Nha yêu cầu nhỏ hơn 50% công suất máy biến áp Đôi khi, công suất lắp đặt còn yêu cầu xem xét đến giới hạn phát nhiệt của hệ thống, lúc này công suất toàn phần đƣợc sử dụng để kiểm tra sự phù hợp của DG với hệ thống Giới hạn công suất ngắn mạch đƣợc sử dụng nhƣ một tiêu chuẩn công suất ngắn mạch của mạng điện đƣợc DG bổ sung thêm không đƣợc vƣợt quá khả năng của các thiết bị chuyển mạch Cấp điện áp cũng đƣợc xác định nhƣ một tiêu chuẩn để xác định công suất đặt cực đại của máy phát DG

2.9.2.2 Cấp điện áp kết nối DG

Do công suất phát hạn chế, DG thường được kết nối với mạng trung áp và hạ áp Tuy nhiên không có mức giới hạn điện áp cực đại khi kết nối DG Cấp điện áp đƣợc sử dụng nhƣ là yêu cầu cho phối hợp bảo vệ và mức công suất danh định, điểm kết nối Trong trường hợp kết nối với lưới trung áp, máy điện áp có thể đuợc yêu cầu làm nhiệm vụ bảo vệ DG bởi việc hấp thụ công suất phản kháng, ngăn ngừa dòng thứ tự không và hạn chế dòng ngắn mạch

Sóng hài: Bậc của sóng hài sinh ra bởi DG không gây nhiễu loạn trong hệ thống phân phối Tổng độ méo toàn phần (Total Harmonic Distortion – TDH) đƣợc yêu cầu nhỏ hơn 5% Theo IEEE 519 – 1992 đã yêu cầu các giá trị khác nhau của sóng hài và tổng độ méo toàn phần

Các máy phát DG sử dụng các bộ điện tử công suất là nguồn phát sinh sóng hài Kiểu máy phát phụ thuộc vào công nghệ bộ biến đổi điện tử công suất, cấu trúc của chúng Các máy điện quay cũng là nguồn gây ra sóng hài, phụ thuộc vào cấu trúc bộ dây quấn, mạch từ… chúng cũng làm thay đổi độ méo toàn phần (THD) của mạng điện

Trong trường hợp có hài bậc ba, chúng sẽ theo dây trung tính xuống đất Theo tiêu chuẩn Việt Nam giá trị cực đại cho phép (theo % điện áp danh định) của THD điện áp gây ra bởi các thành phần sóng hài bậc cao đối với các cấp điện áp đƣợc quy định trong bảng 3.1

Bảng 2 1: Giới hạn dòng hài theo IEEE 1547 – 2006

Bậc hài Tỷ lệ cho phép (%)

Bảng 2 2: Độ biến dạng điện áp do sóng hài theo TCVN

Cấp điện áp Tổng biến dạng (THD)

Hiện tƣợng chập chờn là kết quả của việc biến đổi công suất ở đầu ra của máy phát: tuabin gió, pin mặt trời… hoặc có sự biến đổi của các phụ tải: lò hồ quang, các động cơ không đồng bộ… dẫn tới thay đổi điện áp tại các nút phụ tải Để hạn chế hiện tượng chập chờn, nhiều nước đã đưa ra yêu cầu công suất lắp đặt cực đại của

DG phải nhỏ hơn vài lần công suất ngắn mạch tại điểm kết nối chung PCC Tiêu chuẩn IEC 61400 – 21 (3) cũng đƣa ra yêu cầu về chất lƣợng điện năng cho những tuabin gió nối lưới, trong đó giới hạn chập chờn của một tuabin gió đơn lẻ là P lt 0,25 đƣợc tính từ 12 kết quả do Pst liên tiếp (sau khoảng thời gian 2 giờ) Tổng giá trị chập chờn của một trang trại gió không vƣợt quá 0,5 tại một nút bất kỳ trong mạng điện

Giới thiệu về DVR

DVR là hệ thống bù điện áp nối tiếp nhƣ thể hiện trong hình 3 trong đó DVR là nguồn áp với độ lớn, góc pha và tần số điều chỉnh được, u g là điện áp lưới, u inj là điện áp thêm vào từ DVR, và u L là điện áp trên tải [5]

Hình 3 1: Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của DVR Đồ thị vector trên Hình 4.2 thể hiện yêu cầu đối với điện áp cần tạo ra bởi DVR để bù vào lõm điện áp, Il là dòng điện tải,  là góc lệch pha giữa điện áp tải và dòng điện tải

Giả sử, một lõm điện áp xảy ra với độ lớn và một góc nhảy pha đƣợc xác định, biểu thị bằng vector u g,sag Khi đó, để duy trì độ lớn của điện áp tải và ngăn chặn nhảy pha, DVR sẽ tính toán tạo ra một vector điện áp u inj với độ lớn, góc pha được xác định và thêm vào lưới Theo đồ thị vector, điện áp trên tải khi đó sẽ là: u L = u g,sag + u inj

Hình 3 2: Nguyên lý bù lõm của DVR

Từ sơ đồ trên Hình 4.2, để khôi phục cả độ lớn và góc pha của điện áp tải nhƣ điều kiện trước lỗi Giả sử điện áp và dòng điện tải trong điều kiện trước khi lỗi cả hai bằng 1pu, công suất đƣợc huy động bởi thiết bị trong khi giảm thiểu lõm điện áp bằng:

 sag g sag g j sag g i sag g l l inj inj jU U j e U I

Công suất hấp thụ bởi tải cho bởi:

Công suất tác dụng và công suất phản kháng đƣợc bơm vào tính theo đơn vị pu load sag g inj U P

Nhƣ vậy DVR đã phải bù cả công suất tác dụng và công suất phản kháng, khác với các bộ bù khác nhƣ SVC (Static Var Compensation), chỉ bù công suất phản kháng

Cấu trúc của DVR đƣợc thể hiện trên Hình 4.3, bao gồm các thành phần chính sau đây:

 Máy biến áp nối tiếp (MBA_NT), cách ly giữa DVR và lưới, phối hợp mức điện áp

 Bộ lọc tần số chuyển mạch (L f ,C f ), giảm ảnh hưởng của quá trình đóng cắt van do điều chế PWM, cải thiện dạng sóng điện áp thêm vào của DVR

 Bộ biến đổi (VSC): là bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha dùng IGBT điều chế PWM

 DC-link và bộ lưu trữ năng lượng: Có khả năng lưu trữ năng lượng và kết nối với VSC để có thể tạo ra điện áp xoay chiều cần thiết bù cho một biến cố lõm điện áp khi nó xảy ra

 Thiết bị by-pass: Bảo vệ cho các lỗi quá tải của DVR, thường dùng thyristor

 Thiết bị ngắt kết nối: Đóng cắt cơ khí để cách ly hoàn toàn DVR nhƣng vẫn cấp điện cho tải hoặc khi có các trường hợp khẩn cấp cần phải ngắt mạch để đảm bảo an toàn cho hệ thống DVR

Hình 3 3: Sơ đồ cấu trúc một pha gồm các thành phần chính của DVR

Các chế độ hoạt động của DVR:

- Chế độ Bypass: DVR đƣợc nối tắt bằng khoá cơ khí hoặc điện tử, khi có dòng tải cao hoặc dòng ngắn mạch phía tải Trong chế độ này DVR phải đƣợc cách ly khỏi lưới

- Chế độ chờ (Standby mode): Nguồn điện áp cung cấp ở mức định mức và DVR đã sẵn sàng để bù cho một lõm điện áp

- Chế độ hoạt động tích cực: Khi lõm điện áp đƣợc phát hiện DVR ngay lập tức thực hiện chèn vào điện áp thiếu Đây là chế độ hoạt động chính.

Ứng dụng DVR trong hệ thống điện phân tán

Ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn trong điều khiển hệ thống điện đƣa đến những khả năng to lớn trong đảm bảo vận hành hệ thống một cách linh hoạt, khai thác hệ thống một cách hiệu quả nhất Điều này đã trở nên vô cùng quan trọng trong các điều kiện chi phí để xây dựng các hệ thống mới hoặc cải tạo các hệ thống hiện hành ngày càng tăng Bên cạnh đó việc đảm bảo chất lƣợng điện năng cũng ngày càng trở nên cấp thiết do điện năng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sản xuất kinh doanh của các khách hàng ngành điện, những người trả tiền cho yêu cầu năng lƣợng của mình và có quyền yêu cầu đƣợc đảm bảo nguồn điện cung cấp một cách liên tục với chất lƣợng điện áp đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn

Bộ DVR xây dựng trên cơ sở bộ biến đổi bán dẫn là thiết bị nhằm đảm bảo khôi phục điện áp trên các phụ tải nhạy cảm khi có sự lõm điện áp ngắn hạn, có thời gian kéo dài từ khoảng nửa chu kỳ điện áp lưới 0,01s đến cỡ dưới 60s, từ phía nguồn cấp Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các biến động điện áp kiểu này thuộc loại sự cố xảy ra có tần xuất lớn nhất trong các loại sự cố khác về nguồn điện, so với các loại sự cố khác nhƣ mất điện ngắn hạn, cỡ trên 60s đến 5 phút, hoặc mất hẳn điện, từ 5 phút trở lên, hoặc dao động điện áp với tần số rất thấp, 0,1Hz đến 1Hz, còn gọi là hiện tƣợng “flicker” nhấp nháy điện Mặc dù lõm điện áp xảy ra trong một thời gian rất ngắn, một số phụ tải nhƣ các hệ thống điều khiển, các loại biến tần điều khiển động cơ đã có thể bị dừng Trong một số trường hợp các thiết bị này có thể đóng vai trò chủ chốt trong toàn bộ dây truyền hoạt động của nhà máy, khi bị dừng dẫn tới phải dừng toàn bộ dây truyền mà sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài Nếu là

HVTH: Quản Hoàng Tân 60 hệ thống điều khiển hoặc xử lý số liệu có thể dẫn tới gián đoạn hoặc mất thông tin, cũng dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng

Trong trường hợp này DVR là giải pháp tiết kiệm, có thể được lắp đặt để bảo vệ các tải nhạy cảm quan trọng, những hệ thống thiết bị có sẵn và đang bị ảnh hưởng của những sự cố lõm điện áp ngắn hạn, kéo dài dưới một phút Lý do phải dùng DVR là vì việc khắc phục bằng cách cải tạo hệ thống phân phối là không thể thực hiện đƣợc, có thể do không đủ kinh phí hoặc không thể gián đoạn sản xuất hoặc hệ thống điện nằm ngoài tầm quản lý của doanh nghiệp

Do đó yêu cầu đặt ra đối với DVR là phải có cấu trúc phù hợp, đảm bảo đƣợc khả năng khôi phục điện áp nhất định trên tải khi nguồn đầu vào có biến động DVR là bộ biến đổi bán dẫn dùng để tạo ra nguồn áp, đƣa qua máy biến áp phối hợp, tạo ra bộ bù điện áp nối tiếp giữa tải và nguồn Hệ thống điều khiển phải có khả năng phát hiện các sai lệch điện áp về biên độ và góc pha, từ đó đƣa ra lƣợng đặt đến bộ biến đổi điện tử công suất nhằm tạo ra điện áp có giá trị đủ để bù phần sụt áp phía nguồn, giữ cho điện áp phía tải trong phạm vi cho phép

Giới thiệu hệ thống nghiên cứu

Sơ đồ hệ thống nghiên cứu trong Matlab bao gồm 1 hệ thống điện mặt trời kết nối với ac-qui sau đó nghịch lưu và nối vào lưới điện quốc gia như trong Hình 4.1

Hình 4.1: Hệ thống điện mặt trời kết nối với ac-qui và nối vào lưới điện

Trong hệ thống trên, mô hình các thành phần chính bao gồm Hệ thống điện mặt trời thể hiện bằng sơ đồ tương đương như Hình 4.2, bộ nghịch lưu nguồn áp (VSC) với bộ điều khiển đƣợc thể hiện trong Hình 4.3

Hình 4.2: Mô hình các thành phần chính của hệ thống điện mặt trời

Hình 4.3: Bộ nghịch lưu nguồn áp và bộ điều khiển VSC Để mô tả các phụ tải trong thƣc tế, trong luận văn này, tác giả sử dụng mô hình tải phi tuyến và tải động cơ được thể hiện tương ứng trong Hình 4.4 và 4.5

Mô hình thiết bị DVR đƣợc sử dụng nhƣ trình bày trong Hình 4.6

Hình 4.6: Mô hình thiết bị DVR

Giải thuật điều khiển dò công suất cực đại PandO cho hệ thống điện mặt trời đƣợc viết bằng hàm PandO nhƣ sau giúp hệ thống tối ƣu công suất phát ngõ ra function D = PandO(Param, Enabled, V, I)

% D output = Duty cycle of the boost converter (value between 0 and 1)

% Enabled input = 1 to enable the MPPT controller

% V input = PV array terminal voltage (V)

Dinit = Param(1); %Initial value for D output

Dmax = Param(2); %Maximum value for D

Dmin = Param(3); %Minimum value for D deltaD = Param(4); %Increment value used to increase/decrease the duty cycle D

HVTH: Quản Hoàng Tân 64 persistent Vold Pold Dold; dataType = 'double'; if isempty(Vold)

P= V*I; dV= V - Vold; dP= P - Pold; if dP ~= 0 & Enabled ~=0 if dP < 0 if dV < 0

D = Dold + deltaD; end else if dV < 0

D = Dold - deltaD; end end else D=Dold;

HVTH: Quản Hoàng Tân 65 end if D >= Dmax | D

Tiêu đề	Nghiên cứu giải thuật điều khiển các nguồn năng lượng tái tạo công suất nhỏ trong lưới điện
Tác giả	Quản Hoàng Tân
Người hướng dẫn	PGS.TS. Trương Đình Nhơn
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Điện
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	6,46 MB