Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau: Chương 1 - Tổng quan lý thuyết sử dung trong đề tài, chương 2 - Hệ thống điện mặt trời, chương 3 - Điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PHẠM THỊ THOAN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 3 PHA Ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI Thái Nguyên - 2020
ii MỤC LỤC MỤC LỤC ..........................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. v LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ...............................................................................................ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................... x MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................. 1 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ....................................................................................... 2 3. Mục tiêu nghiên cứu. ..................................................................................................... 2 4. Đối tƣợng nghiên cứu. ................................................................................................... 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................... 3 6. Bố cục luận văn .............................................................................................................. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI ...................... 4 1.1. Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC) ............................................................... 4 1.1.1. Chức năng bộ biến đổi DC-DC................................................................................ 4 1.1.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách li ........................................................................... 4 1.1.2.1. Mạch Buck ............................................................................................................ 4 1.1.2.1. Mạch Boost ........................................................................................................... 5 1.1.2.3. Mạch Buck – Boost............................................................................................... 6 1.1.2.4. Mạch Cuk .............................................................................................................. 7 1.1.3. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly ............................................................................... 9 1.1.4. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC ............................................................................. 10 1.1.4.1. Mạch vòng điều khiển điện áp ............................................................................ 10 1.1.4.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện ........................................................................ 11 1.2. BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU SANG XOAY CHIỀU DC-AC (Inverter) ...................... 11 1.2.1. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều một pha ......................................... 11 1.2.2. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều ba pha ............................................ 12 1.3. Các phép chuyển đổi ................................................................................................. 14 1.3.1. Các hệ trục tọa độ .................................................................................................. 14 1.3.1.1. Hệ trục tọa độ tự nhiên ....................................................................................... 14 1.3.1.2. Hệ trục tọa độ cố định αβ .................................................................................... 16 1.3.1.3. Hệ trục tọa độ quay dq ........................................................................................ 17 1.3.2. Các phép chuyển đổi .............................................................................................. 17
iii 1.3.2.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha .................................................................. 17 1.3.2.2. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha ........................................................ 19 1.4. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) ...................................... 21 1.4.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) ...................................... 21 1.4.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM) ...................................................................... 22 1.5. Điều khiển bộ chuyển đổi DC-AC............................................................................ 23 1.5.1. Bộ điều khiển PI .................................................................................................... 24 1.5.2. Bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) .............................. 24 1.5.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái .......................................................................... 25 1.6. Vấn đề hòa nguồn điện với lƣới................................................................................ 26 1.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ ..................................................................................... 26 1.6.1.1. Điều kiện về tần số.............................................................................................. 26 1.6.1.2. Điều kiện về điện áp ........................................................................................... 26 1.6.1.3. Điều kiện về pha ................................................................................................. 27 1.6.2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lƣới ...................................................................... 27 1.7. Kết luận chƣơng 1 ..................................................................................................... 28 CHƢƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ................................................................ 29 2.1. Năng lƣợng mặt trời .................................................................................................. 29 2.1.1. Cấu trúc của mặt trời.............................................................................................. 29 2.1.2. Năng lƣợng mặt trời ............................................................................................... 30 2.1.3. Phổ bức xạ mặt trời ................................................................................................ 31 2.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất ................................................. 33 2.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời ............................................................................................. 33 2.1.4.2. Sự giảm năng lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia sáng qua lớp khí quyển (air mass). ................................................................................................. 36 2.1.4.3. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian .............................................. 37 2.1.4.4. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian .......................................... 37 2.2. Khai thác, sử dụng trực tiếp năng lƣợng mặt trời ..................................................... 38 2.2.1. Thiết bị sấy khô dùng NLMT ................................................................................ 39 2.2.2. Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng NLMT ............................................................... 39 2.2.3. Động cơ stirling chạy bằng NLMT ........................................................................ 40 2.2.4. Bếp nấu dùng NLMT ............................................................................................. 40 2.2.5. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời ................................................ 41 2.2.6. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT .......................................... 42 2.2.7. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lƣợng mặt trời ................................................. 43
iv 2.3. PIN mặt trời .............................................................................................................. 43 2.3.1. Khái niệm ............................................................................................................... 43 2.3.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời .............................................. 44 2.4. Hệ thống điện mặt trời .............................................................................................. 46 2.4.1. Ý nghĩa hệ thống điện mặt trời .............................................................................. 46 2.4.2. Hệ thống điện mặt trời làm việc độc lập ................................................................ 48 2.4.3. Hệ thống điện mặt trời nối lƣới ............................................................................. 49 2.4.3.1. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 49 2.4.3.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới ............................................... 49 2.5. Kết luận chƣơng 2 ..................................................................................................... 50 CHƢƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 3 PHA .............................................................................................................................. 51 3.1. Giới thiệu .................................................................................................................. 51 3.2. Cấu trúc hệ thống điện mặt trời 3 pha nối lƣới ......................................................... 51 3.2.1 Sơ đồ khối ............................................................................................................... 51 3.2.2. Xây dựng mô hình toán học các khối chức năng ................................................... 52 3.2.2.1. Mô hình toán máy phát quang điện (Photovoltaic Generator - PVG) ................ 52 3.2.2.2. Mô hình toán học bộ chuyển đổi DC/DC ........................................................... 53 3.2.2.3. Mô hình toán Bus một chiều (DC Bus) .............................................................. 54 3.2.2.4. Mô hình nghịch lƣu nối lƣới 3 pha (Inverter) ..................................................... 54 3.2.2.5. Mô hình lƣới (Grid) ............................................................................................ 55 3.3. Điều khiển theo dõi điểm làm việc có công suất cực đại ......................................... 55 3.4. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho biến tần 3 pha nối lƣới57 3.4.1. Nguyên tắc điều khiển công suất ........................................................................... 57 3.4.2. Công suất 3 pha trên các hệ qui chiếu khác nhau .................................................. 58 3.4.3. Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng ............................. 59 3.5. Mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha ...................................................... 61 3.5.1. Sơ đồ số liệu và kịch bản mô phỏng ...................................................................... 61 3.5.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................................. 62 3.5.3. Nhận xét ................................................................................................................. 66 3.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ......................................................................................... 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 68 1. Kết luận: ....................................................................................................................... 68 2. Kiến nghị: .................................................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 69
v LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Thị Thoan Sinh ngày 01 tháng 09 năm 1984 Học viên lớp cao học CĐK17A - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên Hiện đang công tác tại Khoa Điện tử, Tin học- Trƣờng Cao đẳng Cơ điện và Xây dựng Bắc Ninh. Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha” do PGS.TS Lại Khắc Lãi hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Bắc Ninh, Ngày tháng năm 2020 Tác giả luận văn Phạm Thị Thoan
vi LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng dẫn PGS. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa- Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ trong quá trình nghiên cứu đề tài. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Bắc Ninh, Ngày tháng năm 2020 Tác giả luận văn Phạm Thị Thoan
vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Chú thích 1 NLMT Năng lƣợng mặt trời 2 PMT Pin mặt trời 3 BĐK Bộ điều khiển 4 BBĐ Bộ biến đổi 5 DC-DC Bộ biến đổi một chiều- một chiểu 6 DC-AC Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều 7 PV Tế bào quang điện 8 MPPT Maximum Power Point Tracking 9 PWM Pules- With- Modulation 10 CB- PWM Carrier Based Pulse With 11 ZSS Zero sequence signal 12 SVM Space vector Modulation 13 CC Current Control 14 VC Voltage Control 15 VSI Voltage Source Inverter 16 IN Cƣờng độ bức xạ mặt trời (w/m2) 17 UPV, IPV Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời 18 Igc Dòng quang điện (A) 19 I0 Dòng bão hòa (A) 20 q Điện tích của điện tử; q= 1,6.10-19 (C) 21 K Hằng số Boltzman (J/K) 22 TC Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K) 23 ID, UD Dòng điện (A), điện áp trên diode (V) 24 ISC (Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch của PV 25 UOC Điện áp hở mạch của Pin mặt trời 26 G Bức xạ mặt trời (Kw/m2)
viii 27 D Hệ số làm việc 28 Ton Thời gian khóa K mở 29 T Chu kỳ làm việc của khóa 30 fDC Tần số đóng cắt 31 IL1, IL2 Dòng điện của cuộn cảm L1, L2 32 UC1, UC2 Điện áp trên tụ C1, C2 33 tK Thời điểm lấy mẫu 34 PLL Vòng khóa pha
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang Bảng 2.1 Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bƣớc sóng Bảng 2.2 Màu sắc và bƣớc sóng của ánh sáng mặt trời
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. 1: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck ...................................................................... 5 Hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost ..................................................................... 6 Hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost ......................................................... 6 Hình 1. 4: Sơ đồ biến đổi Cuk ..................................................................................... 7 Hình 1. 5: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng ..................................... 8 Hình 1. 6: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng ..................................................... 8 Hình 1. 7: Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly........................................................... 10 Hình 1. 8: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp ......................................... 11 Hình 1. 9: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện ..................................... 11 Hình 1. 10: Sơ đồ mạch nghịch lƣu áp cầu 1 pha và đồ thị ...................................... 12 Hình 1. 11: Sơ đồ mạch nghịch lƣu 3 pha ................................................................. 13 Hình 1. 12: Sơ đồ dẫn của các transistor và điện áp ra trên các pha ......................... 14 Hình 1. 13: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ ..................................... 18 Hình 1. 14: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq ............................. 19 Hình 1. 15: Cấu trúc của SOGI ................................................................................. 20 Hình 1. 16: Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang hình sin ............................ 22 Hình 1. 17: Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra ........................................... 22 Hình 2. 1: Cấu trúc của mặt trời ................................................................................ 30 Hình 2. 2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời ................................................... 31 Hình 2. 3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) ......................................... 33 Hình 2. 4: Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển ........................... 34 Hình 2. 5: Định nghĩa và cách xác định air mass ...................................................... 37 Hình 2. 6: Thiết bị sấy thực phẩm dùng NLMT ....................................................... 39 Hình 2. 7: Thiết bị chƣng cất nƣớc dùng NLMT ...................................................... 39 Hình 2. 8: Động cơ stirling chạy bằng NLMT .......................................................... 40 Hình 2. 9: Bếp nấu dùng NLMT ............................................................................... 41 Hình 2. 10: Bình nƣớc nóng Thái Dƣơng Năng........................................................ 41 Hình 2. 11: Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT .......................... 42 Hình 2. 12: Nhà máy sử dụng Năng lƣợng mặt trời.................................................. 43
xi Hình 2. 13: Mạch tƣơng đƣơng của modul PV ......................................................... 44 Hình 2. 14: Quan hệ I(U) và P(U) của PV ................................................................ 45 Hình 2. 15: Họ đặc tính của PV ................................................................................ 46 Hình 2. 16: Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều ........................ 49 Hình 2. 17: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lƣới ............................................ 49 Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống PV nối lƣới điện 3 pha …………………………….52 Hình 3. 2: Mạch điện tƣơng đƣơng của modul PV ................................................... 53 Hình 3. 3: Quan hệ I-V của PV ứng với cƣờng độ bức xạ ánh sáng khác nhau ....... 53 Hình 3. 4: Quan hệ I-V của PV ứng với nhiệt độ làm việc khác nhau ..................... 53 Hình 3. 5: Sơ đồ nghịch lƣu 3 pha ............................................................................ 54 Hình 3. 6: Sơ đồ tƣơng đƣơng thevenin của lƣới 3 pha ............................................ 55 Hình 3. 7: Lƣu đồ thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) .................................... 56 Hình 3. 10: Vòng điều khiển dòng điện .................................................................... 59 Hình 3. 11: Bộ điều khiển công suất ......................................................................... 60 Hình 3. 12: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất biến tần 3 pha nối lƣới .. 60 Hình 3. 13: Sơ đồ mô phỏng điều khiển công suất hệ thống ĐMT nối lƣới ............. 62 Hình 3. 14: Điện áp và dòng điện PV ...................................................................... 63 Hình 3. 15: Điện áp DC link ..................................................................................... 64 Hình 3. 16. Sự thay đổi các sector theo góc pha ....................................................... 64 Hình 3. 17: Điện áp và dòng điện pha A ở đầu ra Inveter ........................................ 64 Hình 3. 18: Điện áp và dòng điện 3 pha đầu ra inveter............................................. 65 Hình 3. 19: hệ thống điện mặt trời bơm vào lƣới điện .............................................. 65 Hình 3. 20: Điện áp pha của lƣới và góc pha của PLL ............................................. 66
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, các nguồn năng lƣợng trên trái đất nhƣ dầu mỏ, than đá… đang dần cạn kiệt, không còn để khai thác đƣợc nữa. Ngoài ra, những nguồn năng lƣợng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hƣởng đến đời sống con ngƣời. Trong khi đó, nguồn năng lƣợng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lƣợng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trƣờng. Vì vậy, tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng tái tạo đang là hƣớng đi mới trong năng lƣợng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lƣợng đang đặt lên hàng đầu. Việc khai thác năng lƣợng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lƣợng và phát triển bền vững. Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông,…Đó là loại hình năng lƣợng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lƣới không vƣơn đến đƣợc (vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …). Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. Ở Việt Nam, năng lƣợng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lƣợng bức xạ trung bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lƣợng điện toàn quốc. Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhƣng vì nhiều lý do, việc phát triển năng lƣợng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tƣ ban đầu lớn hơn các dạng năng lƣợng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lƣợng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lƣợng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ (tức là khai thác và sử dụng tại chỗ), năng lƣợng dƣ thừa chƣa hòa
2 đƣợc lên lƣới điện quốc gia (bán trở lại cho lƣới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện). Vì vậy, việc Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha đang là một vấn đề cấp thiết. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lƣợng một chiều (DC), Nguồn năng lƣợng một chiều này đƣợc chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lƣu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lƣợng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dƣ thừa đƣợc bán trở lại lƣới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lƣới điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu dân cƣ sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời. Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tƣ liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác. 3. Mục tiêu nghiên cứu. Đề tài này đặt mục tiêu chính là “Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha’’ Các mục tiêu cụ thể: - Tổng quan về các bộ biến đổi; - Vấn đề hòa nguồn điện với lƣới; - Hệ thống điện mặt trời; - Điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lƣới: + Mô hình toán học + Điều khiển theo dõi điểm làm việc có công suất cực đại + Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng - Mô phỏng thực nghiệm 4. Đối tƣợng nghiên cứu.
3 Hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng các thuật toán điều khiển; - Mô hình hóa, mô phỏng để kiểm nghiệm và đánh giá các thuật toán đề xuất. 6. Bố cục luận văn Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết sử dung trong đề tài Chƣơng 2: Hệ thống điện mặt trời Chƣơng 3: Điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha. Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo
4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 1.1. Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC) 1.1.1. Chức năng bộ biến đổi DC-DC Bộ biến đổi 1 chiều 1 chiều (Boot converter) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lƣu (thƣờng 400V). Đồng thời thông qua bộ Boost converter này để thực hiện điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống. Các bộ biến đổi DC/DC đƣợc chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng 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 thƣờng đƣợc sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai. 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 thƣờng dùng trong hệ PV gồm:  Bộ giảm áp (buck)  Bộ tăng áp (boost)  Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk Bộ giảm áp buck có thể định đƣợc điểm làm việc có công suất tối ƣu mỗi khi điện áp vào vƣợt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trƣờng hợp này ít thực hiện đƣợc khi cƣờng độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp. Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ƣu ngay cả với cƣờng độ ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lƣới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trƣớc khi đƣa vào bộ biến đổi DC/AC. 1.1.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách li 1.1.2.1. Mạch Buck Sơ đồ nguyên lý mạch buck đƣợc chỉ ra trên hình 1.1. 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:
5 = (1.1) Trong đó Ton là thời gian khóa K mở, T là chu kỳ làm việc của khóa, fDC tần số đóng cắt. Hình 1. 1: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều đƣợc nạp vào tụ C2 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 đƣợc cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lƣợng lƣu trên cuộn kháng và tụ điện do Diode khép kín mạch. Nhƣ vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lƣu giữ năng lƣợng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng. (1.2) Công thức (1.2) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển đƣợc bằng cách điều khiển hệ số làm việc. Hệ số làm việc đƣợc điều khiển bằng cách phƣơng pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton. Do đó, bộ biến đổi này còn đƣợc biết đến nhƣ là bộ điều chế xung PWM. Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất. Bộ Buck cũng thƣờng đƣợc dùng để nạp ắc quy nhƣng nó có nhƣợc điểm là dòng vào không liên tục vì khóa điện tử đƣợc bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt. Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy. Dòng công suất đƣợc điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử. Bộ Buck có thể làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cƣờng độ bức xạ. Nhƣng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểm MPP xuống thấp hơn ngƣỡng điện áp nạp ắc quy dƣới điều kiện nhiệt độ cao và cƣờng độ bức xạ xuống thấp. Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp. 1.1.2.1. Mạch Boost Sơ đồ nguyên lý mạch Boost nhƣ hình 1.2
6 Hình 1. 2: 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 (ton) cuộn kháng tích năng lƣợng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lƣợng qua Điốt tới tải. (1.3) 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 phƣơng pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vo. 1.1.2.3. Mạch Buck – Boost Sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 1.3 Hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost Từ công thức (1.4): Do D < 1 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, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa ngắt điện cảm có khuynh hƣớng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở
7 khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trƣờng 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. Ta có công thức: Công thức (1.5) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D: Khi D = 0.5 thì Uin = Uout; Khi D < 0.5 thì Uin > Uout; Khi D > 0.5 thì Uin < Uout 1.1.2.4. Mạch Cuk Sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 1.4 Hình 1. 4: Sơ đồ biến đổi Cuk Bộ Cuk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp. Cuk dùng một tụ điện để lƣu giữ năng lƣợng vì vậy dòng điện vào sẽ liên tục. Mạch Cuk ít gây tổn hao trên khoá điện tử hơn và cho hiệu quả cao. Nhƣợc điểm của Cuk là điện áp ra có cực tính ngƣợc với điện áp vào nhƣng bộ Cuk cho đặc tính dòng ra tốt hơn do có cuộn cảm đặt ở tầng ra. Chính từ ƣu điểm chính này của Cuk (tức là có đặc tính dòng vào và dòng ra tốt) Nguyên lý hoạt động của Cuk là chế độ dẫn liên tục. Ở trạng thái ổn định, điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm bằng 0, theo định luật điện áp Kiếchôp ở vòng mạch ngoài cùng hình vẽ 1.4 ta có: VC1 = VS + V0 Giả sử tụ C1 có dung lƣợng đủ lớn và điện áp trên tụ không gợn sóng mặc dù nó lƣu giữ và chuyển một lƣợng năng lƣợng lớn từ đầu vào đến đầu ra.
8 Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào đƣợc cấp và khoá SW khoá không cho dòng chảy qua. Điốt D phân cực thuận, tụ C1 đƣợc nạp. Hoạt động của mạch đƣợc chia thành 2 chế độ. Chế độ 1: Khi khoá SW mở thông dòng, mạch nhƣ ở hình vẽ 1.5 Hình 1. 5: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng Điện áp trên tụ C1 làm điôt D phân cực ngƣợc và Điốt khoá. Tụ C1 phóng sang tải qua đƣờng SW, C2, Rtải, và L2. Cuộn cảm đủ lớn nên giả thiết rằng dòng điện trên cuộn cảm không gợn sóng. Vì vậy ta có mỗi quan hệ sau: (1.6) Chế độ 2: Khi SW khoá ngăn không cho dòng chảy qua, mạch có dạng nhƣ hình vẽ 1.6 Hình 1. 6: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng Tụ C1 đƣợc nạp từ nguồn vào VS qua cuộn cảm L1. Năng lƣợng lƣu trên cuộn cảm L2 đƣợc chuyển sang tải qua đƣờng D, C2, và R tải. Vì vậy ta có: = (1.7) Để hoạt động theo chu kỳ, dòng điện trung bình của tụ là 0. Ta có: (1.8) (1.9) (1.10)
9 Trong đó: D là tỉ lệ làm việc của khoá SW (0 < D < 1) và T là chu kỳ đóng cắt. Giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tƣởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ đƣợc. Pin= Pout (1.11) Vs.IL1= V0.IL2 (1.12) (1.13) Kết hợp công thức (1.10) và (1.13) vào ta có: (1.14) Từ công thức (1.14):  Nếu 0 < D < 0.5: Đầu ra nhỏ hơn đầu vào.  Nếu D = 0.5: Đầu ra bằng đầu vào.  Nếu 0.5 < D < 1: Đầu ra lớn hơn đầu vào. Từ công thức (1.14) ta thấy rằng có thể điều khiển điện áp ra khỏi bộ biến đổi DC/DC bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D của khoá SW. Nhƣ vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các 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. Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K để hệ đạt đƣợc điểm làm việc tối ƣu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT) sẽ đƣợc trình bày chi tiết ở chƣơng tiếp sau. 1.1.3. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly Bộ chuyển đổi DC-DC đƣợc mô tả trong hình 1.7. Bộ chuyển đổi bao gồm một tụ lọc đầu vào C1, 6 chuyển mạch dùng MOSFET (M1-M6), sáu điôt xoay tự do, hai điôt chỉnh lƣu, D1 và D2, một biến áp cao tần với hệ số biến áp bằng K và một tụ hóa C2.