Khối DC/AC ở ủõy là bộ biến ủổi ủiện ỏp từ một chiều sang xoay chiềụ Ngày nay, cỏc tiến bộ về linh kiện bỏn dẫn và cấu trỳc ủiều khiển ủó cho ra ủời những bộ nghịch lưu ủa dạng về kiểu loại và chất lượng ủiện ỏp ngừ ra rất cao ủỏp ứng ủược những yờu cầu của phụ tải thực tế. Phạm vi của
ủề tài khụng ủi sõu phõn tớch về cấu trỳc và nguyờn lý làm việc của cỏc bộ
nghịch lưu mà chỉ lựa chọn cho khối DC/AC của hệ (tổ hợp) nguồn pin Mặt trời một kiểu loại nghịch lưu thớch hợp nhất.
ðối với mạng ủiện cục bộ (cho một hộ gia ủỡnh), thỡ ủơn giản nhất là chọn nghịch lưu một pha cũn ủối với mạng ủiện mà hệ nguồn pin Mặt trời cú kết nối lưới thỡ cú thể chọn nghịch lưu 3 phạ Về phương phỏp ủiều khiển nghịch lưu sẽ ủược lựa chọn kiểu ủiều khiển PWM ủể cho ủược ủiện ỏp ngừ
ra sin nhất. Nếu yờu cầu cao hơn về chất lượng ủiện ỏp ra thỡ cú thể chọn phương phỏp ủiều khiển PWM cú khõu ủiều khiển dũng ủiện kiểu SVM (biến
ủiệu vectơ khụng gian). Mặt khỏc, cũng núi rừ thờm ủối với mỗi loại nghịch lưu thỡ ủiện ỏp phớa một chiều cũng phải ủược lựa chọn khỏc nhau mới ủạt
ủược chất lượng ủiện ỏp ra phớa xoay chiều cao nhất,
Linh kiện trong bộ nghịch trong cỏc ứng dụng và ở phạm vi cụng suất lớn cú thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT, GTỌ
ạ Bộ nghịch lưu ỏp 1 pha
Theo tài liệu [10] cú thể lựa chọn cấu hỡnh một bộ nghịch lưu như hỡnh 3.14
Hỡnh 3.14 Sơủồ nghịch lưu 1 pha
Trong trường hợp này: - VDC = 400V
- Cấu trỳc mạch lực gồm 04 van IGBT mắc sơủồ cầu - ðiều khiển nghịch lưu kiểu PWM
Hỡnh 3.15 Dũng ủiện qua tải và ủiện ỏp ra của nghịch lưu 1 pha b. Bộ nghịch lưu ỏp 3 phạ
Theo tài liệu [11] cú thể lựa chọn cấu hỡnh một bộ nghịch lưu như hỡnh 3.16
Hỡnh 3.16 Sơủồ nghịch lưu 3 pha
Trong trường hợp này: - VDC = 400V
- Cấu trỳc mạch lực gồm 06 van IGBT mắc sơủồ cầu, giữa bộ biến ủổi và tải cú mỏy biến ỏp cỏch lỵ
- ðiều khiển nghịch lưu kiểu PWM
ðiện ỏp ngừ ra và dũng ủiện tải cú dạng sin như hỡnh 3.17
Hỡnh 3.17 ðiện ỏp ra của nghịch lưu 3 pha và ủiện ỏp ủo trờn tải
Trường hợp với hệ cú kết nối lưới, khi ủú hệ nguồn cũn ủũi hỏi thờm một sốủiều kiện vềủồng bộ tần số và gúc phạ Thừa hưởng kết quả nghiờn cứu về BESS trong tài liệu [12] bộ nghịch lưu cú cấu trỳc như hỡnh 3.18.
2 2 ( pcc d pcc q) sqrt u +u θ θ θ αβ B u α B u β MODEL ACQUI a b c g C E IGBT/Diode5 g C E IGBT/Diode4 g C E IGBT/Diode3 g C E IGBT/Diode2 g C E IGBT/Diode1 g C E IGBT/Diode DC Voltage Source i +- C urrent Measurement 3600uF 0.1Ohm Hỡnh 3.18 Cấu trỳc mạch lực bộ nghịch lưu 3 pha
Bộủiều khiển theo phương phỏp ủiều chế vectơ khụng gian, ủiện ỏp ra của nghịch lưu cú dạng rất gần sin như trờn hỡnh 3.19
Hỡnh 3.19 ðiện ỏp và dũng ủiện của nghịch lưu SVM cấp cho tải
3.4. Thiết kế nguồn pin Mặt trời trong mạng ủiện cục bộ3.4.1. Lựa chọn sơ ủồ khối 3.4.1. Lựa chọn sơ ủồ khối
ðối với một mạng ủiện cục bộ ủộc lập hay dạng lai cú kết nối lưới, hệ
nguồn pin năng lượng Mặt trời cú thểủược xõy dựng theo cấu trỳc như mụ tả
trờn hỡnh 3.20
Hỡnh 3.20 Sơủồ mạng ủiện nguồn pin Mặt trời
Một trong những tiờu chớ ủược quan tõm của hệ nguồn cụng suất nhỏ là hạn chế tối ủa cỏc nguyờn nhõn gõy tổn thất năng lượng, ủặc biệt là ủối với hệ
nguồn pin Mặt trờị Trong khi ủú mỗi khối ủưa vào hệ thống ủều gõy ra thờm tổn hao năng lượng. Vỡ vậy việc lựa chọn sơ ủồ sao cho số khối hay thành phần trong hệ thống là ớt nhất.
Trờn sơủồ 3.20 gồm cỏc khối chức năng:
- Bộ tăng thế một chiều DC/DC cú kết hợp với bộ tớnh chọn ủiểm làm việc cú cụng suất cực ủại MPPT.
- Bộ nghịch lưu DC/AC sẽ ủược lựa chọn thựy theo yờu cầu về chất lượng ủiện năng của tải khỏch hàng, cấu trỳc mạng 1 pha hay 3 pha và cú kết nối lưới hay khụng?
- Bộ ủiều khiển ủược thiết kế phự hợp theo từng trường hợp cụ thể, trong ủú hai chức năng quan trọng ủược ủề cập trong ủề tài nay là: chức năng
ủiều khiển nghịch lưu và chức năng ủiều khiển chếủộ nạp cho ắc quỵ
- Ắc quy ủược xem như một kho ủiện trung gian khụng thể thiếu ủược trong hệ nguồn PV trong những trường hợp tải khỏch hàng ủũi hỏi cao về ủộ ổn ủịnh và chất lượng ủiện năng cung cấp.
3.4.2. Tớnh toỏn thiết kế
Cú nhiều phương phỏp tớnh toỏn, thiết kế hệ nguồn ủiện pin Mặt trờị Ở ủõy chỉ nờu một phương phỏp thụng dụng nhất chủ yếu dựa trờn sự cõn bằng
ủiện năng trung bỡnh hàng ngàỵ Theo phương phỏp này, cỏc tớnh toỏn hệ
nguồn cú thểủược tiến hành qua nhiều bước theo thứ tự sau:
Bước 1. Tớnh toỏn phụ tải ủiện yờu cầu
Phụ tải ủiện cú thể tớnh theo hàng ngày và sau ủú cú thể tớnh theo thỏng hoặc năm. Giả sự hệ cần cấp ủiện ỏp cho cỏc tải T1,T2,T3,... cú cụng suất tiờu thụ tương
ứng P1,P2,P3,.... và thời gian làm việc hàng ngày của chỳng là τ1,τ2,τ3,... Tổng ủiện năng phải cấp hàng ngày cho cỏc tải bằng tổng tất cảủiện năng của cỏc tải: Eng = P1τ1 +P2τ2 +P3τ3 +... = ∏∏∏∏ i = n i = 1 Piτi (3.1)
Từ Eng nếu nhõn với số ngày trong thỏng hoặc trong năm ta sẽ tớnh
Bước 2. Năng lượng ủiện hàng ngày ủũi hỏi ủược cấp từ dàn PV ECấpủược xỏc ủịnh theo cụng thức: Ecấp = Eng η (3.2) Trong ủú: η = η1. η2. η3 ...ηn = ∏∏∏∏ i = n i = 1 ηi Với η1 : Hiệu suất của thành phần thứ nhất, vớ dụ: Bộ biến ủổi ủiện. Với η2 : Hiệu suất của thành phần thứ hai, vớ dụ: Bộ biến ủiều khiển. Với η3 : Hiệu suất nạp/ phúng ủiện của bộắc quỵ
Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tảị
Bước 3. Cụng suất ủỉnh của hệ pin Wp (Peak Watt)
Cụng suất dàn PV thường ủược tớnh ra cụng suất ủỉnh hay cực ủại (Peak Watt, kớ hiệu là Wp ), tức là cụng suất mà dàn pin phỏt ra ở ủiều kiện chuẩn.
E0 = 1000 W/m2 và ở nhiệt ủộ chuẩn T0 = 250 C.
Tớnh cho trường hợp dàn PV phải ủảm bảo ủủ năng lượng cho tải liờn tục cả năm. Khi ủú cường ủộ bức xạ Mặt trời dựng ủể tớnh phải là cường ủộ
bức xạ hàng ngày trung bỡnh của thỏng thấp nhất trong năm. Nếu gọi:
ITh = cường ủộ tổng xạ trờn mặt phẳng ngang ;
IDh = cường ủộ bức xạ nhiễu xạ trờn mặt phẳng ngang của thỏng cú bức xạ
thấp nhất, thỡ tổng cường ủộ bức xạ trờn mặt phẳng nghiờng gúc β so với mặt phẳng ngang ủược tớnh theo cụng thức:
Th Dh Dh Th h t Tt I I I RI I ) 2 cos 1 ( ) 2 cos 1 ( ) ( cos cos β β θ θ − + + + − = (3.3)
Ở ủõy ITt là cường ủộ tổng xạ (trực xạ +nhiễu xạ) trờn mặt phẳng nghiờng, R là hệ số phản xạ của mặt nền nơi lắp ủặt dàn pin Mặt trờị Vỡ cỏc
gúc tới θt và θh của tia Mặt trời ủối với mặt phẳng nghiờng và mặt phẳng ngang phụ thuộc phức tạp vào giờ quan sỏt hàng ngày, vào thỏng trong năm, vào vĩ ủộ ủặt hệ năng lượng nờn người ta cú thể tớnh gần ủỳng khi tớnh tỷ số
cosθt/cosθh ở thời gian giữa trưạ Ta cú thể suy ra ủối với mặt dàn PV hướng Nam cho cỏc ủịa phương ở Bắc bỏn cầu và nghiờng gúc β. Ta cú :
- ðối với mặt phẳng ngang: β = 0 , ASZ = 900, ω= 0 nờn cosθh = cosϕ cosδ + sinϕ sinδ (3.4)
- ðối với mặt phẳng nghiờng β: ASZ = 0 (hướng mặt Nam) , ω = 0 và: cosθt =( cosϕcosβ + sinϕsinβ)cosδ + sinδ(sinϕcosβ - cosϕsinβ) (3.5)
Với ϕ là vĩủộủịa ủiểm lắp ủặt dàn pin Mặt trời, δ cú thể lấy là gúc lệch trung bỡnh của thỏng ủang tớnh toỏn.
Ta tớnh cường ủộ bức xạ Mặt trời dựng ủể tớnh phải là cường ủộ bức xạ
hàng ngày trung bỡnh của thỏng thấp nhất trong năm: E(WP) = Ecấp.1000
EβΣ (Wp) (3.6)
Trong ủú cường ủộ tổng xạ trờn mặt nghiờng EβΣ tớnh theo Wh/m2.ngày và ta ủó ủặt cường ủộ tổng xạ chuẩn E0=1000 Wh/m2.
Dung lượng dàn PV E(WP) tớnh theo cụng thức trờn chỉ ủủ cung cấp cho tải ở nhiệt ủộ chuẩn T0 =250C. Khi làm việc ngoài trời, do nhiệt ủộ của cỏc PV cao hơn nhiệt ủộ chuẩn, nờn hiệu suất biến ủổi quang ủiện của pin và module PV bị giảm. ðể hệ thống làm việc bỡnh thường ta phải tăng dung lượng tấm pin lờn. Gọi là dung lượng của dàn pin cú kểủến hiệu ứng nhiệt dộ
là E(WP, T) thỡ :
E(WP, T) = E(Wp,)
ηm(T), (Wp) (3.7) Trong ủú: ηm(T) là hiệu suất của module ở nhiệt ủộ T
ηm(T) = ηm(TC).{1+PC(T-TC)}
ηm(Tc) là hiệu suất cuả module ở nhiệt ủộ chuẩn Tc = 25 0C
PC là hệ số nhiệt ủộ của modulẹ Trong tớnh toỏn thực tế thường lấy giỏ trị gần ủỳng bằng PC = - 0,005/ 0C.
Trong thực tế ủể thiết kế dàn PV cú cụng suất phự hợp với phụ tải cũn phụ thuộc rất nhiều yếu tố cụ thể. Do vậy ngoài E(WP, T) ủược tớnh theo cụng thức trờn cũn phải dựa nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế.
Từ việc tớnh toỏn ủược Wp (Peak Watt) ta cú thể tớnh toỏn ủược kớch cỡ
của cỏc tấm PV cần sử dụng. Lượng Wp mà PV tạo ra lại tựy thuộc vào khớ hậu của từng vựng trờn thế giớị Cựng 1 tấm PV nhưng ủặt ở nơi này thỡ mức
ủộ hấp thu năng lượng sẽ khỏc với khi ủặt nú nơi khỏc. ðể thiết kế chớnh xỏc, người ta phải khảo sỏt từng vựng và ủưa ra một hệ số gọi là "panel generation factor", tạm dịch là hệ số phỏt ủiện của pin Mặt trờị Hệ số "panel generation factor" này là tớch số của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) và ủộ bức xạ năng lượng Mặt trời (solar radiation) trong cỏc thỏng ớt nắng của vựng, ủơn vị tớnh của nú là (kWh/m2/ngày).
Mức hấp thu năng lượng Mặt trời tại Việt Nam là khoảng 4.58 kWh/m2/ngày cho nờn lấy tổng số Watt-hour cỏc tấm PV chia cho 4.58 ta sẽ
cú tổng số Wp của tấm pin Mặt trờị
Mỗi PV mà ta sử dụng ủều cú thụng số Wp của nú, lấy tổng số Wp cần cú của tấm PV chia cho thụng số Wp của nú ta sẽ cú ủược số lượng tấm PV cần dựng.
Kết quả trờn chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm PV cần dựng. Càng cú nhiều pin Mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của battery sẽ cao hơn. Nếu cú ớt pin Mặt trời, hệ thống sẽ thiếu ủiện trong những ngày rõm mỏt, rỳt cạn kiệt battery và như vậy sẽ làm battery giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều PV thỡ làm giỏ thành hệ thống cao, vượt quỏ ngõn sỏch cho phộp, ủụi khi khụng cần thiết. Thiết kế bao nhiờu PV lại cũn tựy thuộc vào ủộ
autonomy day, là những ngày khụng cú nắng cho PV sản sinh ủiện), thỡ bắt buộc lượng battery phải tăng hơn và kộo theo phải tăng số lượng pin Mặt trờị Rồi vấn ủề sử dụng pin loại nào là tối ưu, là thớch hợp vỡ mỗi vựng ủịa lý ủều cú thời tiết khỏc nhaụ Tất cả ủũi hỏi thiết kế phải do cỏc chuyờn gia cú kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho cỏc hệ solar trong vựng.
Bước 4. Số module mắc song song và nối tiếp
Trước hết cần lựa chọn loại module thớch hợp cú cỏc ủặc trưng cơ bản là: - ðiện ỏp làm việc tối ưu Vmd;
- Dũng ủiện làm việc tối ưu Imd; - Cụng suất ủỉnh Pmd .
Số module cần phải dựng cho hệ thống ủược tớnh từ tỉ số: N =E(Wp,T)
Pmd với N= Nnt.Nss. (3.8) - Nnt là số module mắc nối tiếp trong mỗi dóy ủược xỏc ủịnh từ ủiện thế yờu cầu của hệ V: Nnt = VV
md
Nss là số dóy module ghộp song song ủược xỏc ủịnh từ dũng ủiện toàn phần của hệ I: Nss = II
md
Trong tớnh toỏn ở trờn, ta ủó bỏ qua ủiện trở dõy nối, sự hao phớ năng lượng do bụi phủ trờn dàn pin Mặt trời,... Nếu cần phải tớnh ủến cỏc hao phớ
ủú, người ta thường ủưa vào một hệ số K và dung lượng dàn PV khi ủú sẽ là: K.E(WP, T)
Với K ủược chọn trong khoảng (1-1,2) tựy thuộc cỏc ủiều kiện thực tế, và thường ủược gọi là cỏc hệ số an toàn của hệ.
Bước 5. Dung lượng của bộắc quy tớnh theo ampe-giờ, Ah
Dung lượng của bộ ắc quy tớnh ra Ah phụ thuộc vào hiệu ủiện thế làm việc của hệ V, số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày khụng cú nắng) D,
hiệu suất nạp phúng ủiện của ắc quy ηb, ủộ sõu phúng ủiện thớch hợp DOS (khoảng 0,6-0,7) và ủược tớnh theo cụng thức sau:
C = VxEout.D
ηb.DOS (Ah)
Nếu V là hiệu ủiện thế làm việc của hệ thống nguồn, cũn v là hiệu ủiện thế
của mỗi ắc quy, thỡ số bỡnh mắc nối tiếp trong bộ là: Nnt = Vv Số dóy bỡnh mắc song song là: Nss = CC
b
Trong ủú mỗi bỡnh cú dung lượng Cb tớnh ra Ah. Tổng số bỡnh ắc quy
ủược xỏc ủịnh như sau: n = C Cb . V
v
Trong cụng thức trờn D là số ngày dự phũng khụng cú nắng ủược lựa chọn dựa trờn số liệu khớ tượng về số ngày khụng cú nắng trung bỡnh trong thỏng ủó núi ở trờn và yờu cầu thực tế của tải tiờu thụ. Tuy nhiờn khụng nờn chọn D quỏ lớn, vớ dụ nếu D > 10 ngày, khi ủú dung lượng ắc quy sẽ rất lớn, vừa tốn kộm về chi phớ, lại vừa làm cho ắc quy khụng khi nào ủược nạp ủầy, gõy hư hỏng cho ắc quỵ Thụng thường D ủược chọn khoảng từ 3 ủến 10 ngàỵ 3.4.3. Tớnh toỏn thiết kế một mạng ủiện cụ thể Tớnh toỏn cỏc thụng số cơ bản của hệ thống phỏt ủiện PV cho một hộ phụ tải: T1 - Tải một chiều gồm cỏc thiết bị (TB): n1 = 3 (TB) P1 = 50 (W/TB) t2 = 5 (h/ngày) Uủm1 = 24 (V-DC)
T2 - Tải sinh hoạt xoay chiều 110V gồm cỏc thiết bị (TB): n2 = 3 (TB) P2 = 110 (W/TB)
Hiệu suất cỏc khối nguồn:
- Bộủiều khiển η1= 0.95 ; - Bộắc quy η3= 0.85