Trong thực tế, chúng ta đã gặp rất nhiều nguồn điện mặt trời độc lập. Công nghệ nguồn loại này thƣờng đƣợc ứng dụng cho các khu vực không có lƣới điện công nghiệp hoặc cho các tải tiêu thụ đặc biệt có công suất nhỏ.
2.4.3. Hệ thống điện mặt trời nối lƣới 2.4.3.1. Sơ đồ khối hệ thống 2.4.3.1. Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2. 17: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới
Khối Modul quang điện (PV) làm nhiệm vụ biến đổi năng lƣợng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin.
Khối dò điểm công suất tối đa với giải thuật tìm điểm công suất cực đại của modul PV ứng với giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ.
Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tƣơng ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá trị phù hợp và ổn định.
Nhƣ vậy, trong hệ thống này, năng lƣợng mặt trời đƣợc biến đổi thành năng lƣợng điện dƣới dạng năng lƣợng điện mộtchiều, năng lƣợng này sau đó đƣợc đƣa qua bộ biến đổi DC-AC chuyển thành năng lƣợng xoay chiều dùng trực tiếp cho tải xoay chiều hoặc kết nối với lƣới điện.
2.4.3.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới
với hệ thống điện mặt trời.
Điều khiển bộ nghịch lƣu nối lƣới DC/AC
Ngoài ra còn có các điều khiển khác nhƣ bù sóng hài, chống cô lập hóa (Anti islanding)...
2.5. Kết luận chƣơng 2
Trong chƣơng 2 tác giả đã giải quyết một số vấn đề xoay quanh hệ thống điện năng lƣợng mặt trời:
- Giới thiệu chung về năng lƣợng mặt trời: cấu trúc của mặt trời, đặc điểm bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất;
- Vấn đề khai thác, sử dụng trực tiếp năng lƣợng mặt trời; - Nghiên cứu hệ thống điện năng lƣợng mặt trời nối lƣới:
+ Đƣa ra cấu trúc của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời nối lƣới + Đƣa ra sơ đồ nguyên lý điều khiển toàn hệ thống.
CHƢƠNG 3
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 3 PHA 3.1. Giới thiệu
Hệ thống điện mặt trời nối lƣới có thể thực hiện với nhiều dải công suất khác nhau tùy theo điều kiện cụ thể và qui mô của hệ thống.
- Đối với các hệ thống công suất nhỏ (qui mô gia đình) ngƣời ta thƣờng sử dụng hệ thống điện mặt trời nối lƣới điện một pha
- Đối với các hệ thống có công suất trung bình và lớn ngƣời ta thực hiện hệ thống nối lƣới 3 pha
Trong chƣơng này tập trung nghiên cứu vấn đề điều khiển luồng công suất bơm vào lƣới điện của hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha. Công việc nghiên cứu bao gồm các nội dung sau:
Đề xuất sơ đồ khối tổng quát của hệ thống
Khảo sát, xây dựng mô hình toán học các khối chức năng trong hệ thống
Thiết kế mạch điều khiển phát hiện và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại của pin mặt trời
Thiết kế mạch điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng Mô phỏng hoạt động của hệ với các thông số cụ thể
3.2. Cấu trúc hệ thống điện mặt trời 3 pha nối lƣới 3.2.1 Sơ đồ khối 3.2.1 Sơ đồ khối
Sơ đồ khối và cấu trúc mạch điện tử để kết nối pin quang điện với lƣới điện ba pha đƣợc chỉ ra trên Hình 3.1.
Mạch lực gồm các khối chính nhƣ pin quang điện, bộ biến đổi DC-DC tăng áp, Bus một chiều, nghịch lƣu áp 3 pha, bộ lọc và lƣới điện.
Mạch điều khiển bao gồm điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại, điều chế véc tơ không gian cho nghịch lƣu, bộ điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và đồng bộ hóa lƣới (PLL).
Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống PV nối lưới điện 3 pha
3.2.2. Xây dựng mô hình toán học các khối chức năng
3.2.2.1. Mô hình toán máy phát quang điện (Photovoltaic Generator - PVG)
Máy phát quang điện đƣợc coi là một nguồn dòng điện có sơ đồ điện tƣơng đƣơng nhƣ Hình 3.2. Quan hệ giữa các thông số dòng điện, điện áp và công suất (I, U và P) của một pin quang điện (PV) phụ thuộc vào cƣờng độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ của chúng theo biểu thức (3.1) U Ipv sR U I R AVt pv s Ipv Ig I0 e 1 R sh (3.1)
trong đó: Ig: dòng quang điện (A); I0 là dòng điện ngƣợc bão hòa (A); Rs là điện trở nối tiếp của cell pin (Ω); Rsh là điện trở song song của cell (Ω); V = N KTs c
t q ; Ns: số tế bào quang điện mắc nối tiếp; K là hằng số Boltzmann (1.338.10-23
J/0K); Tc là nhiệt độ làm việc của pin quang điện (0C); q là điện tích của điện tử (1,602.10-19C)
xạ Nhiệt độ M P P T V S r i a a P L θ i i θ θ C C I V V I e e P u i α P ω - e e u i - - θ i i i V u u ĐK
Hình 3. 2: Mạch điện tương đương của modul PV
Quan hệ dòng điện - điện áp (I-U) của pin quang điện ứng với cƣờng độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc khác nhau đƣợc biểu diễn trên Hình 3.3 và ứng với nhiệt độ làm việc khác nhau đƣợc biểu diễn trên Hình 3.4.
Hình 3. 3: Quan hệ I-V của PV ứng với cường độ bức xạ ánh sáng khác nhau
Hình 3. 4: Quan hệ I-V của PV ứng với nhiệt độ làm việc khác nhau
3.2.2.2. Mô hình toán học bộ chuyển đổi DC/DC
Bộ chuyển đổi DC/DC là một bộ tăng áp (Boost) gồm điện cảm L1, chuyển mạch IGBT
I S I D I p R s D R p V p I s
Quan hệ điện áp vào/ra của Boost là: T Uin on Uout = ; D = T 1-D (3.2)
Với T là chu kỳ chuyển mạch và Ton là thời gian mở của IGBT.
3.2.2.3. Mô hình toán Bus một chiều (DC Bus)
Nói chung, điện áp đƣờng dây một chiều thay đổi phụ thuộc vào điều kiện môi trƣờng, nghĩa là phụ thuộc vào nhiệt độ và bức xạ mặt trời. Nó đƣợc biểu diễn bởi công thức sau:
dc dc in du 1 I I dt C (3.3) Trong đó Cdc là dung lƣợng của tụ điện [F], Idc là dòng điện đầu ra của bộ MPPT, Iin là dòng điện vào của bộ biến đổi DC/AC.
3.2.2.4. Mô hình nghịch lƣu nối lƣới 3 pha (Inverter)
Nghịch lƣu nối lƣới 3 pha có 6 chuyển mạch loại IGBT mắc theo sơ đồ cầu nhƣ chỉ ra trên Hình 3.5. Đầu ra của Inverter có điện cảm lọc để lọc sóng hài làm giảm méo dòng điện. Nghịch lƣu cần phải hoạt động nhƣ một bộ chuyển đổi công suất giữa DC Bus và lƣới, đầu vào inverter là điện áp một chiều DC bus, đầu ra là điện áp xoay chiều hình sin 3 pha thống qua điều chế độ rộng xung PWM, trong luấn văn này sử dụng phƣơng pháp điều chế véc tơ không gian (SVM)
3.2.2.5. Mô hình lƣới (Grid)
Theo Thevenin ta có thể biểu diễn lƣới 3 pha bằng nguồn áp có điện áp pha bằng eA, eB, eC tần số f nối tiếp với tổng trở Z = R + jX, trong đó tổng trở Z đã bao gồm cả điện kháng bộ lọc đầu ra của inverter. Sơ đồ tƣơng đƣơng của lƣới 3 pha đƣợc chỉ ra trên Hình 3.6.
3.3. Điều khiển theo dõi điểm làm việc có công suất cực đại
Hình 3. 6: Sơ đồ tương đương thevenin của lưới 3 pha
Do điều kiện môi trƣờng (bức xạ mặt trời và nhiệt độ) liên tục thay đổi nên điểm làm làm việc có công suất lớn nhất của pin quang điện cũng liên tục thay đổi theo điều kiện môi trƣờng (Hình 3.3 và Hình 3.4).
Vì vậy để nâng cao hiệu suất của phát điện của tấm pin quang điện cần phải có thuật toán phát hiện và điều khiển để pin quang điện luôn luôn làm việc ở điểm có công suất cực đại. Đã có nhiều thuật toán MPPT, nhƣ thuật toán điện áp không đổi, thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O), thuật toán điện dẫn gia tăng (INC), thuật toán điều khiển mờ.
Hình 3. 7: Lưu đồ thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O)
Trong luận văn này tôi sử dụng thuật toán nhiễu loạn và quan sát để phát hiện và duy trì điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin quang điện. Lƣu đồ thuật toán P&O đƣợc chỉ ra trên Hình 3.7. Đây là thuật toán thƣờng đƣợc sử dụng nhất để dò điểm MPP nó dựa trên cơ sở gây nhiễu loạn điện áp và quan sát dP/dt, đạo hàm này cho thấy điện áp đang là cao hay thấp và do đó cần giảm hay tăng điện áp cho tới khi đạo hàm bằng 0.
3.4. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho biến tần 3 pha nối lƣới lƣới
3.4.1. Nguyên tắc điều khiển công suất
Sơ đồ khối của biến tần nối lƣới đƣợc chỉ ra trên hình 3.6, trong đó L là điện cảm của cuộn kháng lọc và R là điện trở của chúng, E là trị hiệu dụng của điện áp đầu ra bộ nghịch lƣu, U là trị hiệu dụng điện áp lƣới điện. i là dòng điện chạy trong mạch.
Quan hệ giữa điện áp ra của biến tần và điện áp lƣới đƣợc biểu diễn qua phƣơng trình Kirhop 2 dƣới dạng số phức:
(3.4)
Hình 3.8: Sơ đồ khối của nghịch lưu nối lưới
Giá trị điện trở của cuộn kháng thƣờng rất nhỏ, nên để đơn giản ta có thể bỏ qua chúng, khi đó phƣơng trình (3.4) trở thành:
(3.5)
Đồ thị véc tơ biểu diễn quan hệ nhƣ hình 3.9. Trong đó là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện biến tần bơm vào lƣới, là góc lệc pha giữa điện áp đầu ra biến tần và điện áp lƣới. Từ đồ thị véc tơ ta có quan hệ:
(3.6)
Công suất tác dụng và công suất phản kháng từ biến tần vào lƣới đƣợc xác định:
(3.7)
phản kháng đƣa vào lƣới điện bằng cách điều chỉnh góc lệch pha giữa 2 điện áp () hoặc điều chỉnh điện áp đầu ra của biến tần (E). Phƣơng pháp điều khiển góc điện áp là phƣơng pháp đơn giản nhất và đã đƣợc đề cập trong các tài liệu [3,6]. Trong luận văn này, tôi đề xuất phƣơng pháp điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm vào lƣới điện thông qua việc điều chỉnh điện áp đầu ra của biến tần, gọi là điều khiển theo hƣớng điện áp.
3.4.2. Công suất 3 pha trên các hệ qui chiếu khác nhau
Công suất tác dụng và công suất phản kháng hệ thống 3 pha đƣợc tính theo biểu thức: (3.9)
Trong đó:
- U trị hiệu dụng điện áp pha - Um Biên độ điện áp pha
- I là trị hiệu dụng của thành phần cơ bản của dòng điện - Im là biên độ thành phần cơ bản của dòng điện
- φ là góc lệch pha giữa điện áp pha và dòng điện pha
Áp dụng các công thức biến đổi Park ta thu đƣợc biểu thức công công suất tác dụng, công suất phản kháng trên hệ tọa độ quay (dq) và hệ tọa độ tĩnh (α,β) nhƣ sau:
d d q q 3 P v i v i 2 (3.10) q d d q 3 Q v i v i 2 (3.11) 3 P v i v i 2 (3.12)
3
Q v i v i
2
(3.13)
3.4.3. Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
Quan hệ giữa các thông số trạng thái trong Hình 3.10 có thể biểu diễn dƣới dạng phƣơng trình vi phân:
(3.14) Chuyển sang hệ qui chiếu d,q ta có:
Sau khi biến đổi ta đƣợc:
(3.15)
Hình 3. 8: Vòng điều khiển dòng điện
Từ (3.15) ta có cấu trúc mạch điều khiển dòng điện đƣợc chỉ ra trên Hình 3.10. Đầu vào là dòng điện tham chiếu đƣợc so sánh với dòng điện đo lƣờng từ lƣới. Sai số
di e L Ri u dt d d d d d q q q q q e d i 0 1 i i u L L R e dt i 1 0 i i u d d q d d q q d q q d e L i Li Ri u dt d e L i Li Ri u dt a b c P L L I i I θ - - - - i i i i u u e e P - I
đƣợc chuyển đổi sang hệ qui chiếu α,β, thành phần eα đƣa vào bộ điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) để tạo xung điều khiển các khóa chuyển mạch.
Các dòng điện tham chiếu id,ref, iq,ref đƣợc tổng hợp từ mạch vòng điều khiển
công suất có cấu trúc nhƣ hình 3.11
Hình 3. 9: Bộ điều khiển công suất
Công suất tác dụng và công suất phản kháng chuyển từ biến tần vào lƣới đƣợc so sánh với các công suất đặt tƣơng ứng. Sai lệch của chúng đƣợc đƣa qua bộ PI, đầu ra
của
Hình 3. 10: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất biến tần 3 pha nối lưới
P p P - i - i P Q Q - i - i
PI là các dòng điện tham chiếu. P và Q đƣợc tính toán ƣớc lƣợng theo biểu thức (3.12) và (3.13).
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển biến tần 3 pha nối lƣới đƣợc chỉ ra trên Hình 3.12. Trong điều khiển theo định hƣớng điện áp sai lệch giữa các thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện và các giá trị đặt của chúng đƣợc đƣa vào bộ điều khiển PI trong hệ qui chiếu đồng bộ, nó tạo ra điện áp tham chiếu cho bộ chuyển đổi. Điện áp này sau đó đƣợc áp dụng cho bộ điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM). Trong phƣơng pháp này, cần phải đo lƣờng điện áp và dòng điện lƣới.
3.5. Mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha 3.5.1. Sơ đồ số liệu và kịch bản mô phỏng 3.5.1. Sơ đồ số liệu và kịch bản mô phỏng
Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lƣới trên phần mềm Matlab/Simulink - Simscape đƣợc chỉ ra trên Hình 3.13. Các thông số sử dụng trong mô phỏng nhƣ sau:
Pin năng lƣợng mặt trời mã hiệu Aavid Solar ASMS-220P, gồm 40 chuỗi PV mắc song song, mỗi chuỗi PV có 10 modulle mắc nối tiếp, cƣờng độ bức xạ mặt trời (G) thay đổi từ 600W/m2
đến 1000W/m2, nhiệt độ làm việc T0C của PV giả thiết đƣợc duy trì ở 250C trong suốt thời gian mô phỏng.
Lƣới điện 3 pha có điện áp dây 380V, tần số 50Hz, trở kháng trong của nguồn là R0
= 0,0015Ω, L0 = 0,015mH; lƣới đang vận hành với tải 3 pha có công suất 2.103W. Bộ tăng áp có các thông số: L1 = 0,4H, sử dụng van IGBT loại IRG4BC40FPbF,
Diot có điện trở thuận bằng 1 mΩ, điện áp thuận 0,8V.
Tuyến một chiều có điện áp biến thiên trong khoảng 600 - 700V
Inverter sử dụng 6 chuyển mạch IGBT mã hiệu IRG4BC40FPbF, mỗi van có điện trở thuận 0,5Ω lọc đầu ra của inverter là 3 cuộn kháng có điện cảm L = 4,6mH, R = 4,3mΩ. Tải cục bộ của inverter bằng 200W
Thời gian mô phỏng là 0,6s, ban đầu hệ thống điện mặt trời chạy không tải với G = 600W/m2 và T0C = 250, sau thời gian 0,1s hệ thống đƣợc nối với lƣới, tại t = 0,35s bức xạ mặt trời tăng lên 1000W/m2
Hình 3. 11: Sơ đồ mô phỏng điều khiển công suất hệ thống ĐMT nối lưới
3.5.2. Kết quả mô phỏng
Các kết quả mô phỏng đƣợc chỉ ra trên các hình từ Hình 3.14 đến Hình 3.20, trong đó: Hình 3.14 là đƣờng cong điện áp và đƣờng cong dòng điện của tâm pin PV khi
cƣờng độ bức xạ mặt trời thay đổi từ (600 - 1000)W/m2
. Hình 3.15 biểu diễn điện áp trên DC bus.
Hình 3.16 biểu diễn sự thay đổi các séc tơ theo góc pha của phƣơng pháp điều chế véc tơ không gian.
Hình 3.17 biểu diễn đƣờng cong điện áp và dòng điện pha A ở đầu ra của Inverter (chú ý rằng dòng điện đã đƣợc tăng lên 10 lần để tiện biểu diễn).
Hình 3.18 biểu diễn đƣờng cong điện áp và dòng điện 3 pha ở đầu ra của Inverter (chú ý rằng dòng điện đã đƣợc tăng lên 10 lần để tiện biểu diễn).
Hình 3.20 biểu diễn hoạt động của vòng khóa pha PLL.