Nhiệm vụ: Tăng trị số điện ỏp một chiều phự hợp với điện ỏp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu của hệ thống năng lượng mặt trời, đồng thời thụng qua bộ Boost converter này để thực hiện điều khiển bỏm cụng suất cực đại cho hệ thống.
2.1.4.Thiết bị điều khiển
Là bộ điều khiển trung tõm của cả hệ thống thực hiện chức năng điều phối cụng suất giữa hệ thống pin mặt trời với lưới nhằm điều khiển phỏt cụng suất phản khỏng lờn lưới và phỏt cụng suất tỏc dụng cực đại lờn lưới, điều phối tải (tải cục bộ), điều khiển mỏy phỏt bỏm lưới khi cú lỗi lướị
Bộ điều khiển (controller or regulator) là một thiết bị điện tử cú chức năng kiểm soỏt tự động cỏc quỏ trỡnh nạp và phúng điện của bộ ỏc quị Bộ điều khiển (BĐK) theo dừi trạng thỏi của ỏc qui thụng qua hiệu điện thế trờn cỏc điện cực của nú.
Cỏc thụng số kỹ thuật chớnh cần phải được quan tõm. - Ngưỡng điện thế cắt trờn Vmax:
Ngưỡng điện thế cắt trờn Vmax là gớa trị hiệu điện thế trờn hai cực của Bộ ỏc qui đó được nạp điện no, dung lượng đạt 100%. Khi đú nếu tiếp tục nạp điện cho Bộ ỏc qui thỡ ỏc qui sẽ bị quỏ no, dung dịch ỏc qui sẽ bị sụi dẫn đến sự bay hơi nước và làm hư hỏng cỏc bản cực. Vỡ vậy khi cú dấu hiệu ỏc qui đó được nạp no, hiệu điện thế trờn cỏc cực Bộ ỏc qui đạt đến V = Vmax, thỡ BĐK sẽ tự động cắt hoặc hạn chế dũng nạp điện từ dàn pin mặt trời (PMT) Sau đú khi hiệu điện thế Bộ ỏc qui giảm xuống dưới giỏ trị ngưỡng, BĐK lại tự động đúng mạch nạp lạị
- Ngưỡng cắt dưới Vmin:
Ngưỡng cắt dưới Vmin là giỏ trị hiệu điện thế trờn hai cực Bộ ỏc qui khi ỏc qui đó phúng điện đến giỏ trị cận dưới của dung lượng ỏc qui (vớ dụ, đối với ỏc qui chỡ- axit, khi trong ỏc qui chỉ cũn lại 30% dung lượng). Nếu tiếp tục sử dụng ỏc qui thỡ nú sẽ bị phúng điện quỏ kiệt, dẫn đến hư hỏng ỏc quị Vỡ vậy, khi BĐK nhận thấy hiệu điện thế Bộ ỏc qui V Vmin thỡ nú sẽ tự động cắt mạch tải tiờu thụ. Sau đú nếu hiệu điện thế Bộ ỏc qui tăng lờn trờn giỏ trị ngưỡng, BĐK lại tự động đúng mạch nạp lạị
Đối với ỏc qui chỡ- axit, hiệu điện thế chuẩn trờn cỏc cực của một bỡnh là V = 12V, thỡ thụng thường người ta chọn Vmax = (14,0 -14,5) V, cũn Vmin = (10,5 - 11,0) V.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn
- Điện thế trễ V: là giỏ trị khoảng hiệu điện thế là hiệu số của cỏc giỏ trị điện thế cắt trờn hay cắt dưới và điện thế đúng mạch lại của BĐK, tức là:
V = Vmax - Vđ hay V = Vmin - Vđ, với Vđ là giỏ trị điện thế đúng mạch trở lại của BĐK. Thụng thường V khoảng 1 - 2 V.
- Cụng suất P của BĐK: thụng thường nằm trong giải: 1,3 PL P 2 PL
Trong đú: PL là tổng cụng suất cỏc tải cú trong hệ nguồn, PL = Pi, i = 1, 2... - Hiệu suất của BĐK phải càng cao càng tốt, ớt nhất cũng phải đạt giỏ trị lớn hơn 85%.
2.1.5.Pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bỏn dẫn chứa lượng lớn cỏc diod p-n, duới sự hiện diện của ỏnh sỏng mặt trời cú khả năng tạo ra dũng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Cỏc pin năng lượng mặt trời cú nhiều ứng dụng. Chỳng đặc biệt thớch hợp cho cỏc vựng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, cỏc vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trỏi đất, mỏy tớnh cầm tay, cỏc mỏy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước... Pin năng lượng mặt trời (tạo thành cỏc module hay cỏc tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trờn núc cỏc tũa nhà nơi chỳng cú thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện.
Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ỏnh sỏng mặt trờị Vào buổi trưa một ngày trời trong, ỏnh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong đú 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic khụng thự hỡnh, và cú thể lờn đến 30% hay cao hơn nữạ
Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là cỏc pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bỏn dẫn Silicon (Si) cú hoỏ trị 4. Từ tinh thể Si tinh khiết, để cú vật liệu tinh thể bỏn dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) cú hoỏ
trị 5. Cũn để cú vật liệu bỏn dẫn tinh thể loại p thỡ tạp chất Acceptor được dựng để pha vào Si là Bo cú hoỏ trị 3. Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sỏng thỡ hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, cũn dũng ngắn mạch của nú dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3. Hiện nay cũng đó cú cỏc pin mặt trời bằng vật liệu Si vụ định hỡnh (a-Si). Pin mặt trời a-Si cú ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đú cú thể cú giỏ thành rẻ hơn. Tuy nhiờn, so với pin mặt trời tinh thể thỡ hiệu suất biến đổi quang điện của nú thấp và kộm ổn định khi làm việc ngoài trờị
2.2. Lí THUYẾT VỀ HềA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI VỚI LƢỚI
Hũa đồng bộ là mụ̣t trong các điờ̀u kiợ̀n đờ̉ nguồn điện (từ mỏy phỏt , pin mặt trời…) cú thờ̉ hoạt đụ̣ng ở chờ́ đụ̣ làm viợ̀c song song hoặc cùng nụ́i chung vào mụ̣t mạng lưới điện.
Cỏc nguồn điện khi hoạt động ở chế độ làm việc song song với một nguồn khỏc, hoặc nhiều nguồn cựng nối chung vào một mạng lưới điện luụn đũi hỏi một số điều kiện. Một trong cỏc điều kiện đú là cỏc nguồn điện phải hoạt động đồng bộ với nhaụ
2.2.1. Các điều kiợ̀n hòa đụ̀ng bụ̣.
- Điờ̀u kiợ̀n vờ̀ tõ̀n sụ́ : Hai nguồn phải bằng tõ̀n sụ́ với nhau , hoặc tõ̀n sụ́ nguồn điệnphải bằng tõ̀n sụ́ lướị
- Điờ̀u kiợ̀n vờ̀ điợ̀n áp : Hai nguồn phải cùng điợ̀n áp với nhau , hoặc điợ̀n áp nguồn phải bằng điợ̀n áp lướị
- Điờ̀u kiợ̀n vờ̀ pha : Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nờ́u sụ́ pha lớn hơn 1, và gúc pha phải trựng nhaụ
Ta thṍy điờ̀u kiợ̀n 1 và điều kiện 3 cú vẻ như mõu thuẫn với nhau vỡ nếu muốn cho góc pha của 2 phớa trựng nhau thỡ phải điờ̀u chỉnh tõ̀n sụ́ , mà đó điều chỉnh tần sụ́ thì tõ̀n sụ́ khụng thờ̉ bằng nhau . Cũn nếu muốn giữ nguyờn cho 2 tõ̀n sụ́ bằng nhau thì khó có thờ̉ điờ̀u chỉnh được góc phạ Do đó, điờ̀u kiợ̀n thực tờ́ là:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn
2.2.1.1. Điờ̀u kiợ̀n vờ̀ tõ̀n sụ́
Tõ̀n sụ́ của 2 nguồn xṍp xỉ bằng nhau . Sai lợ̀ch nằm trong khoảng f cho phép. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
f
này là bao nhiờu tựy thuộc vào việc chỉnh định bộ điều tốc và rơle hũa điện tự đụ̣ng, hoặc rơle chụ́ng hũa saị
Thụng thường, người ta điờ̀u chỉnh sao cho f cú trị số > 0 mụ̣t chút, nghĩa là tõ̀n số nguồn điện cao hơn tõ̀n sụ́ lưới mụ̣t chút . Như vọ̃y, khi hòa vào lưới nguồn điện sẽ bị tõ̀n sụ́ lưới giữ lại , nghĩa là nguồn điện sẽ phỏt một cụng suất nhỏ ra lưới ngay thời điờ̉m đóng máy cắt.
2.2.1.2. Điờ̀u kiợ̀n vờ̀ điợ̀n áp
Người ta cũng cho phép điợ̀n áp có sai lợ̀ch chút ít so với điợ̀n áp lưới và người ta cũng chỉnh định sao cho điợ̀n ỏp nguồn điện bằng hoặc hơn điện ỏp lưới một chỳt để khi đúng điện thỡ cụng suất vụ cụng của nguồn điện nhỉnh hơn 0 mụ̣t chút. Đối với điợ̀n áp thì có thờ̉ điờ̀u chỉnh cho điện ỏp nguồn điện bằng điện ỏp lưới chính xỏc mà khụng cú vṍn đờ̀ gì.
2.2.1.3. Điờ̀u kiợ̀n vờ̀ pha
Đõy là điờ̀u kiợ̀n bắt buụ̣c và phải tuyợ̀t đụ́i chính xác . Thứ tự pha thường chỉ kiờ̉m tra khi lắp đặt máy hoặc sau khi có thao tác sửa chữa, bảo trỡ mà phải thỏo rời cỏc điờ̉m nụ́ị
Vỡ phải điều chỉnh tần số nờn 2 tõ̀n sụ́ khụng bằng nhaụ Do đó, gúc pha sẽ thay đụ̉i liờn tục theo tõ̀n sụ́ phách bằng hiợ̀u của 2 tõ̀n sụ́. Cỏc rơle phải dự đoỏn chớnh xỏc thời điểm gúc pha bằng 0, biờ́t trước thời gian đóng của mỏy cắt và phải cho ra tớn hiệu đúng mỏy cắt trước thời điểm đồng bộ bằng đỳng thời gian đú . Thường khoảng dưới 100 ms đờ́n vài trăm ms.
Cỏc điều kiện về điện ỏp và điều kiện về tần số cú thể kiểm tra bằng cỏc dụng cụ đo trực tiờ́p như vụnkờ́, tõ̀n sụ́ kờ́ nhưng các điờ̀u kiợ̀n vờ̀ pha: thứ tự pha và đụ̀ng vị pha (gúc lệch pha) cõ̀n phải kiờ̉m tra nghiờm ngặt hơn.
2.2.2 Đồng vị pha trong hai hợ̀ thống lƣới
Đối với cỏc hệ thống phõn đoạn, hệ thống lưới mạch vũng, thỡ đồng vị pha đó được xỏc định ngay khi thiết kế. Tuy nhiờn do những sai lệch về điện ỏp giỏng trờn đường dõy, trờn tổng trở ngắn mạch của mỏy biến ỏp, do phối hợp cỏc tổng trở cỏc mỏy biến ỏp trong mạch vũng khụng tốt và do sự phõn bố tải trước khi đúng, nờn gúc pha giữa 2 đầu mỏy cắt cú thể khỏc 0. Nhưng thường là ớt thay đổi trong thời gian ngắn. Trong trường hợp này, đúng mỏy cắt sẽ khụng gõy ra ảnh hưởng gỡ lớn, ngoại trừ một vài điểm nào đú cú khả năng quỏ tảị Đối với một số vựng liờn kết với hệ thống lưới bằng 1 đường duy nhất, hoặc nhiều đường nhưng do sự cố đó ró toàn bộ, thỡ khi đúng lại, gúc pha sẽ khụng cũn 0 nữạ Khi đú, gúc pha sẽ thay đổi liờn tục, vỡ 2 tần số lỳc ấy sẽ khụng cũn bằng nhaụ Đúng mỏy cắt lỳc đú phải đầy đủ cỏc điều kiện về tần số như hũa đồng bộ mỏy phỏt điện. Và thường rất khú, khú hơn hũa đồng bộ mỏy phỏt. Vỡ muốn thay đổi tần số của một trong 2 hệ thỡ khụng thể tỏc động tại chỗ được, mà phải liờn hệ từ xạ Để bảo đảm đồng vị pha, trờn mạch điều khiển cỏc mỏy cắt ấy phải cú lắp đặt rơ le hũa đồng bộ, hoặc rơ le chống hũa saị
Đối với trường hợp thứ nhất, rơ le cú thể chỉnh định với khoảng cho phộp khỏ rộng: gúc pha cú thể sai từ 5 đến 10%, điện ỏp cho phộp sai từ 5 đến 10%.
Để hũa nguồn điện từ pin mặt trời vào lưới cũng khụng đơn giản, do điện ỏp và tần số khú thỏa món điều kiện hoà. Do vậy, ta khụng nờn hũa trực tiếp, mà hũa điện thụng qua bộ nghịch lưụ Cỏc bộ nghich lưu ngày nay cú thể biến điện ỏp 1 chiều từ ắc quy thành nguồn cú tần số và điện ỏp bất kỳ.
2.3. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 2.3.1. Sơ đồ khối mạch động lực Hỡnh 2.2. Sơ đồ khối mạch động lực Chuyển đổi DC-DC Chuyển đổi DC-AC Lưới PV
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn
Bộ chuyển đổi 2 trạng thỏi sử dụng một bộ chuyển đổi DC-DC (1 chiều - 1 chiều) để thớch nghi với mức điện ỏp và điện trở từ khối PV ( tấm pin mặt trời) và một bộ biến đổi DC-AC(1 chiều - xoay chiều) hỡnh sin để thực hiện kết nối lưới ở 230V và 50Hz. Điện ỏp +5V được cung cấp cho bộ chuyển đổi DC-DC và bộ chuyển đổi DC-AC.
2.3.2. Các thụng số kỹ thuật
Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống điện mặt trời được sử dụng để chế tạo cỏc khối cú trong bảng 2.1. Tất cả cỏc thụng số được giả định bằng với giỏ trị danh định của chỳng.
Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống
Đặc điểm kỹ thuật Giá trị
DC-DC điện ỏp vào 200 V - 400 V
DC-DC điện ỏp ra 450 V
DC-AC điện ỏp ra 230 Vac
Cụng suất ra danh định 3 kW
DC-AC chuyển đổi tần số 17 kHz
DC-DC chuyển đổi tần số 35 kHz Biến ỏp đảo tỷ lệ 1.2 Điện ỏp lưới 230 V +/- 20% Tần số lưới 50 Hz Hệ số nguồn trờn 10% tỷ lệ nguồn > 0.9 2.3.3. Bộ chuyển đổi DC-DC
Bộ chuyển đổi 2 trạng thỏi cú tỏc dụng kết nối lưới gồm cú một bộ chuyển đổi DC-DC để cung cấp điện ỏp và một bộ chuyển đổi DC-AC để điều khiển dũng điện đặt vào lướị
Hỡnh 2.3. Bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC
Bộ chuyển đổi DC-DC được mụ tả trong hỡnh 2.3 cựng với bộ chuyển đổi DC- AC và bộ lọc LCL. Bộ chuyển đổi bao gồm một tụ lọc đầu vào C1, bộ chuyển mạch gồm Tranzitor trường M1-M6, sỏu đi ốt xoay tự do, hai đi ốt chỉnh lưu D1 và D2, một biến ỏp cao tần cựng với hệ số đảo cõn bằng 1.2 và một tụ dẫn một chiều C2.
Mỏy biến ỏp cung cấp điện ỏp cỏch ly giữa tấm pin mặt trời và lưới, đảm bảo sự an toàn cho toàn hệ thống . Cuộn khỏng được sử dụng đúng vai trũ chuyển đổi nguồn, thiết bị chống quỏ ỏp và chống rung cho cỏc bảng mạch. Sự chuyển đổi pha thớch hợp điều khiển giữa những chõn đầu vào (M1-M4) và những chõn kớch hoạt chỉnh lưu (M5-M6) cho phộp định hướng dũng điện của biến ỏp. Sự điều chế đảo pha được chỉ ra trong hỡnh 2.4. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn
Tớn hiệu điều khiển sử dụng cho Tranzitor trường M1 cũng được dựng để điều khiển cho M4 và tớn hiệu điều khiển sử dụng cho M3 cũng được dựng để điều khiển cho M2. Sự điều chế cầu đầu vào tạo ra một súng vuụng trờn đầu vào của biến ỏp cao tần, nú luụn thay đổi giữa +Uin và -Uin, sự điều chế trờn chỉnh lưu tạo ra trờn phần thứ cấp của biến ỏp cao tần một súng vuụng thay đổi giữa +Ubus và -Ubus, trong đú, Ubus là điện ỏp trờn tụ C2, điện ỏp này được đảo pha so với điện ỏp sơ cấp của biến ỏp một gúc bằng với gúc đảo pha của tớn hiệu điều chế, được chỉ ra trong mạch cõn bằng hỡnh 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 2.10 và 2.11
Hỡnh 2.5. Mạch cõn bằng bộ chuyển đổi DC-DC
Điện ỏp sơ cấp và điện ỏp thứ cấp biến ỏp được phản hồi để phần sơ cấp quyết định tăng hay giảm sườn dốc của dũng điện trong cuộn khỏng. Theo dạng súng hiện tại của cuộn khỏng, hai chế độ hoạt động của bộ chuyển đổi cú thể phõn biệt được: - Chế độ dũng giỏn đoạn (DCM)
- Chế độ dũng liờn tục (CCM)
Trong cả CCM và DCM, 2 chế độ hoạt động chớnh hoặc khoảng nghỉ được chỉ ra trong nửa chu kỳ biến đổị Trong CCM, dũng điện trong cuộn khỏng cú thể được tớnh như sau:
Chế độ 1, khoảng thời gian (t0 - t1): Ở t0 M1 và M4 được mở, M6 cũng mở . Điện ỏp qua cuộn khỏng là:
n U U U bus in Lk (2.1) Trong đú: ULk là điện ỏp qua cuộn khỏng
Uin là điện ỏp sơ cấp
Ubus là điện ỏp thứ cấp
Và dũng điện cú thể tớnh như sau: ( ) 1 U (1 d)(t t1) i (t0)
L t
i in Lk
k
Lk (2.2)
Trong đú: iLk là dũng điện qua cuộn khỏng Lk là điện cảm của cuộn khỏng n U U d in bus . là tỉ lệ đảo biến ỏp n là mức cõn bằng điện ỏp
Khi dũng điện là õm (hỡnh 2.9), dũng điện chạy trong bảng mạch được mụ tả trong hỡnh 2.6.
Hỡnh 2.6. Dũng điện chạy trong chế độ 1
Chế độ này kết thỳc khi dũng của cuộn khỏng bằng 0 ở t = t1
Chế độ 2, khoảng thời gian (t1- t2)
Khi dũng điện của cuộn khỏng tiến đến 0, D1 và D2 đúng cựng với chuyển mạch mềm, dũng tự nhiờn tiến đến 0. Sau khoảng thời gian t = t1, M6 vẫn cũn đang mở, dũng điện chớnh thay đổi phõn cực và chạy qua M1, M4. Phần thứ cấp của biến ỏp bị đoản mạch qua M6 và D2 như được chỉ ra trong hỡnh 2.8. Dũng điện qua cuộn