Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới

Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới như trên hình 1.9.

Hình 1.9Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới

Đây là hệ PV được kết nối với lưới điện. Hệ thống này cho phép tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ và đồng thời cũng có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới điện. Còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắng hay mây mưa, hệ thống điện mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ lấy điện từ lưới. Do đó hệ PV này có thể cần hoặc không cần ắc quy để dự trữ năng lượng. Bộ biến đổi trong hệ này không chỉ giúp ổn định nguồn năng lượng tạo bởi nguồn pin mặt trời mà còn phải đảm bảo nguồn điện năng ra khỏi hệ quang điện phải đồng bộ với lưới.

Hệ PV làm việc kết nối lưới có cấu trúc phức tạp hơn hệ PV làm việc độc lập ở việc cần có thiết bị để đồng bộ giữa điện áp góc pha giữa PV và lưới, đồng thời cần có các thiết bị bảo vệ PV.

16

Chƣơng 2 - NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG

2.1 Hệ thống điện mặt trời kết nối lƣới (Gird – Connected)

2.1.1Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ [2]

Hệ thống mặt trời kết nối lưới rất đa dạng, nhưng nó đều có cấu trúc chung như hình 2.1. Mảng PMT Ppv = Vpv.Ipv Bộ biến đổi + - Vpv Ipv iac Vac       ac RMS ac RMS ac ac ac RMS RMS ac RMS RMS v (t) 2V sin t i (t) 2I sin t p (t) v i V I 1 cos(2 t) P V I         

Hình 2.1Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ

Trong đó bộ biến đổi điện tử công suất là khâu liên lạc giữa tấm pin mặt trời (PMT) và lưới. Muốn điều khiển PMT làm việc phát công suất vào lưới thì cần phải có một bộ biến đổi điện tử công suất với một thuật toán hợp lý. Có thể nói bộ biến đổi điện tử công suất ở đây giữ vai trò rất quan trọng. Những yêu cầu cần có của một bộ biến đổi này là:

+ Điều khiển tấm PMT làm việc ở điểm công suất cực đại dưới mọi điều kiện.

+ Tạo đầu ra điện áp xoay chiều trùng pha với điện áp lưới. + Đạt hiệu suất biến đổi cao, gần 100%.

ac RMS RMS

PV PV PV

P V I

P V I

  (2.1)

+ Dự trữ năng lượng để cân bằng chênh lệch giữa Ppv và pac(t) + Trọng lượng, kích thước nhỏ và giá thành thấp.

+ Độ tin cậy cao

Một hệ thống khá phổ biến là bộ biến đổi nghịch lưu nguồn áp không cách ly có sơ đồ khối như hình 2.2.

17 Mảng PMT Ppv = Vpv.Ipv Bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost) + - Vpv Ipv iac Vac Nghịch lƣu DC/AC (Inverter) + - VDC

Điều khiển DC/DC Điều khiển DC/AC

Tụ dự trữ năng lượng

C

Lưới điện

Hình 2.2Sơ đồ khối HTĐ mặt trời nghịch lưu nguồn áp không cách ly

Bộ biến đổi điện tử công suất gồm hai khâu là khâu biến đổi DC/DC tăng áp và khâu biến đổi DC/AC. Trong đó chức năng các khâu như sau:

Khâu biến đổi DC/DC:

+ Điều khiển PMT làm việc ở điểm công suất cực đại (Vpv, Ipv) + Tạo điện áp đầu ra VDC cao hơn điện áp đầu vào Vpv.

Khâu biến đổi DC/AC:

+ Tạo dòng điện xoay chiều đầu ra trùng với điện áp lưới. + Cân bằng công suất trung bình chuyển từ PMT đến lưới:

ac PV DC/DC DC/AC

P P .  (2.2)

Giữa hai khâu trên là tụ C dự trữ năng lượng làm nhiệm vụ cân bằng năng lượng giữa công suất tức thời pac(t) và công suất PPV.

Ngoài ra, hệ thống phải ngắt ra khỏi lưới khi mất điện áp lưới. Công suất phát vào lưới được điều khiển thông qua dòng điện hiệu dụng theo giá trị đặt IRMSref. Dòng điện tức thời đầu ra bộ nghịch lưu được điều khiển trùng pha với lưới điện và giá trị bằng giá trị IRMS = IRMSref.

2.1.2Một số yêu cầu khi nối PV với lưới điện [6]

Hệ pin mặt trời được nối với lưới điện ở đầu ra của bộ ngắt đồng bộ ở cuối đầu ra của bộ đổi điện. Dòng công suất phụ thuộc vào cả hai hướng của điểm tiếp nối với bộ ngắt. Các yêu cầu cơ bản đối với điện áp tại điểm nối là như sau:

Biên độ và pha của điện áp phải cân bằng với biên độ và pha của dòng công suất. Điện áp được điều khiển bằng hệ số biến đổi máy biến áp hoặc góc mở bộ DC/AC trong hệ điều khiển mạch vòng kín.

18

Phải đảm bảo đồng bộ với tần số của lưới bằng cách sử dụng tần số hệ làm tần số chuẩn cho tần số đóng mở của bộ DC/AC.

Hệ PV phải được bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp, nối đất, chống sét và bảo vệ tách biệt.

Hệ PV phụ thuộc vào thời gian chiếu sáng trong ngày, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, và đặc biệt hơn là thời gian cao điểm, đặc tính phụ tải sẽ ở điểm cao nhất.

2.1.3Các bộ biến đổi trong hệ điện mặt trời hoạt động kết nối lưới [2]

Trong hệ này thì các bộ DC/DC, MPPT có chức năng tương tự trong hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập.

Bộ biến đổi DC/AC phải tạo được điện áp ra dạng sin, phải đồng bộ được về điện áp, tần số của lưới, phải xác định được điểm làm việc có công suất lớn nhất của dãy PMT. Đầu vào của bộ biến đổi này phụ thuộc vào điện áp cho đến khi xác định được điểm MPP trên đường đặc tính Von – Ampe. Bộ biến đổi phải điều khiển được các góc pha của lưới , và đầu ra của bộ DC/AC này phải được điểu khiển cả về điện áp và tần số.

Các bộ DC/AC thông thường có thể được điều khiển bằng phương pháp PWM điều chỉnh độ rộng xung và hoạt động trong tần số từ 2kHz đến 20kHz.

Bộ biến đổi làm việc với lưới được phân loại rộng rãi thành bộ biến đổi nguồn áp (VSI) và bộ biến đổi nguồn dòng (CSI). Tùy thuộc vào sự điều khiển mà bộ biến đổi DC/AC được phân thành loại bộ biến đổi điều khiển dòng (CSI) hay bộ biến đổi điều khiển áp (VSI).

1.Bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) [2]

Bộ biến đổi DC/DC tăng áp có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều từ PMT có điện áp thấp lên dòng điện một chiều có giá trị điện áp đủ lớn đưa vào bộ nghịch lưu. Mạch điện DC/DC tăng áp thường dùng van Mosfet và diode như hình 2.3a. Khi bỏ qua mọi tổn hao của van ta có mô hình khâu DC/DC tăng áp với van lý tưởng như hình 2.3b.

19 + - + - DTs Ts +VL(t)- IL(t) Q1 IC(t) C R Vg v - + D1 (a) + - +VL(t)- IL(t) IC(t) C R v - + (b) Vg 1 2 + - +VL(t)- IL(t) IC(t) C R v - + (d) Vg + - +VL(t)- IL(t) IC(t) C R v - + (c) Vg L L L L vL(t) Vg DTs D’Ts Vg - V t iC(t) -V/R I – V/R t (e) DTs D’Ts

Hình 2.3Bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter)

(a) Mạch với van là Mosfet và diode, (b) Mạch với van lý tưởng, (c) Mạch Mosfet dẫn, (d) Mạch khi diode dẫn, (e) Điện áp trên cuộn cảm và dòng điện qua tụ.

Trong đó:

Ts là chu kỳ đóng cắt; fs = 1/Ts là tần số đóng cắt ;

D là tỷ lệ dẫn của Mosfet, 0 ≤ D ≤1 ; D’ = 1 – D

Nguyên lý hoạt động của mô hình lý tƣởng:

Khi khóa ở vị trí 1 (Mosfet dẫn), sơ đồ tương đương được vẽ như hình 2.3c. Điện áp trên cuộn cảm và dòng điện qua tụ điện như sau:

vL = Vg iC = -v/R

20 Tính gần đúng ta có:

vL = Vg iC = -V/R

Khi khóa ở vị trí 2 (Mosfet khóa), sơ đồ tương đương được vẽ như hình 2.3d. Điện áp trên cuộn cảm và dòng điện qua tụ điện như sau:

vL = Vg - v iC = iL - v/R Tính gần đúng ta có:

vL = Vg - v iC = iL - V/R

Ở trạng thái xác lập, trong một chu kỳ, điện áp trung bình trên cuộn cảm và dòng điện trung bình qua tụ điện bằng không. Do đó :

s T ' L g s g s 0 v (t)dt V DT (V V)D T 0 

Biến đổi ta có kết quả tỷ số điện áp bộ biến đổi:

  ' g V 1 1 M D V D 1 D    

Như vậy qua bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost) thì điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào nhờ việc điều khiển tỷ lệ dẫn D của van.

2.Bộ duy trì điểm công suất cực đại (MPPT)[3]

Bất kỳ dùng loại biến đổi DC/DC nào (giảm hoặc tăng thế) thì cũng cần một mạch đặc biệt để giữ cho thế của máy phát PMT ở giá trị tối ưu VM. Vì điều kiện làm việc (như cường độ bức xạ, nhiệt độ,...) luôn biến đổi nên mạch MPPT phải là một mạch điều khiển vòng kín.

Bộ MPPT làm nhiệm vụ tìm ra điểm làm việc của dãy pin để công suất nhận được là lớn nhất tương ứng với mỗi nhiệt độ và cường độ sáng nhất định (điểm MPP). Bộ MPPT sử dụng 2 phương pháp:

1- Điện dẫn gia tăng INC.

21

Đối với phƣơng pháp nhiễu loạn và quan sát P&O:

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuận toán và việc thực hiện dễ dàng. Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất. Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm. Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại. Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh (điểm MPP) điểm làm việc có công suất lớn nhất đó như hình 2.4. A B MPPT P V

Hình 2.4Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O

Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ quang điện, đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định. Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh logic trong thuật toán P&O như hình 2.5 sẽ so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước.

Một cách khác để giải quyết việc hao hụt công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi điều kiện thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong việc bám theo điểm MPP và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn.

22

Bắt đầu thuật toán P&O

V(k), I(k) P(k)=V(k)*I(k) ∆P(k)=P(k)-P(k-1) V(k-1)=V(k) P(k-1)=P(k) ∆P > 0 V(k)-V(k-1)>0 yes yes no

Giảm Vref Tăng Vref Giảm Vref Tăng Vref

V(k)-V(k-1)>0 no

no yes

Hình 2.5Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O

Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là không tìm được chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi. Đặc điểm của phương pháp này là phương pháp có cấu trúc đơn giản nhất và dễ thực hiện nhất, trong trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP gây hao hụt một phần năng lượng. Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột.

Đối với phƣơng pháp điện dẫn gia tăng INC:

Tín hiệu đưa vào là tín hiệu điện áp và dòng điện ra của dàn pin mặt trời V_PV, I_PV; tín hiệu ra là tín hiệu điều khiển D điều khiển góc mở của IGBT để có được công suất cực đại. Phương pháp này sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin mặt trời để dò tìm điểm công suất cực đại như trên hình 2.6.

Phương pháp này cơ bản dựa trên đặc điểm là: Độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP. Thể hiện như sau:

23 dP 0 dV  : Tại điểm MPP dP 0

dV  : Bên trái điểm MPP dP

0

dV  : Bên phải điểm MPP Vì dP d IV  I

I V

dV dV V



  

 nên ta cũng có thể viết như sau:

I I V V     : Tại điểm MPP I I V V   

 : Bên trái điểm MPP

I I

V V

  

 : Bên phải điểm MPP

dP/dV > 0 dP/dV = 0 dP/dV < 0 MPPT P V

Hình 2.6Phương pháp điện dẫn gia tăng

Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (∆I/∆V), thuật toán này sẽ tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất. Tại điểm MPP, điện áp chuẩn Vref = VMPP. Mỗi khi điểm MPP được tìm ra, hoạt động của pin lại được duy trì ở điểm làm việc này trừ khi có sự thay đổi về dòng điện ∆I, sự thay đổi của dòng điện ∆I thể hiện sự thay đổi của điều kiện thời tiết và của điểm MPP.

Tuy nhiên khi điện dẫn gia tăng lớn quá sẽ làm cho hệ thống hoạt động không chính xác tại điểm MPP và sẽ bị dao động.

24

Ưu điểm chính của phương pháp này là cho kết quả tốt nhất khi thời tiết thay đổi nhanh.

Nhược điểm của phương pháp này là mạch điều khiển phức tạp. Nó sử dụng hai cảm biến để đo giá trị dòng điện và điện áp nên chi phí lắp đặt cao. Tuy nhiên ngày nay với sự xuất hiện của nhiều phần mềm hay các bộ xử lý đã làm giá thành của hệ này giảm đi rất nhiều. Thuật toán INC điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref được thể hiện trên hình 2.7.

Bắt đầu thuật toán INC

V(k), I(k) ∆V(k)=V(k)-V(k-1) ∆I(k)=I(k)-I(k-1) V(k-1)=V(k) I(k-1)=I(k) ∆V = 0 dI/dV = -I/V dI/dV > -I/V ∆I = 0 ∆I > 0 yes yes yes no Giữ nguyên yes yes no no no

Tăng Vref Giảm Vref Giảm Vref Tăng Vref Giữ nguyên

25

3.Bộ nghịch lưu (DC/AC) [8]

Bộ nghịch lưu là thiết bị điện tử dùng trong các hệ thống PV cung cấp cho các tải xoay chiều AC. Nó có tác dụng biến đổi dòng điện một chiều DC thành dòng điện xoay chiều AC tần số 50-60Hz cung cấp cho các phụ tải xoay chiều thông dụng. Dòng một chiều DC có thể lấy trực tiếp từ tấm PMT hay thông qua thanh cái một chiều nối chung với bộ acquy và bộ điều khiển nạp. Như vậy, đầu vào của bộ nghịch lưu là điện áp DC với giá trị phù hợp với bộ acquy và tấm PMT, đầu ra là điện áp AC phù hợp với điện áp của các phụ tải thông dụng.

Trong các hệ thống nối lưới, bộ nghịch lưu là thiết bị được lựa chọn đầu tiên với các đặc điểm phù hợp với lưới. Sau đó, các tấm PMT được tính toán theo các thông số của bộ nghịch lưu: Điện áp DC đầu vào, công suất của bộ nghịch lưu. Trong hệ thống này, bộ nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi trực tiếp năng lượng từ các tấm PMT thành dòng điện xoay chiều tần số 50Hz tương thích với lưới điện. Dòng điện từ PMT chạy trực tiếp qua bộ nghịch lưu, do đó để đảm bảo hiệu quả tối đa, bộ nghịch lưu phải hoạt động đúng vào thời điểm tấm PMT bắt đầu được chiếu sáng với lượng bức xạ vừa đủ để hoạt động. Trong ngày, điểm làm việc tối ưu trên đường đặc tính V-A thay đổi liên tục theo các biến động của bức xạ Mặt trời và nhiệt độ các tấm PMT. Bộ nghịch lưu thông minh có thể điều khiển và tìm kiếm các điểm làm việc tối ưu và đưa về điểm làm việc phù hợp, có công suất tối đa (MPP). Bộ nghịch lưu còn có chức năng bảo vệ, ngắt các kết nối khi hệ thống lưới hay hệ PMT