Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện bằng biến tần

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:116

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập. Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV. Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần đa bậc lai.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện bằng biến tần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- PHẠM TOÀN SINH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN BẰNG BIẾN TẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành:60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- PHẠM TOÀN SINH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN BẰNG BIẾN TẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành:60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 12 tháng 03 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 TS. Nguyễn Hùng Chủ tịch 2 TS. Đoàn Thị Bằng Phản biện 1 3 TS.Đinh Hoàng Bách Phản biện 2 4 PGS.TS. Ngô Chí Kiên Ủy viên 5 PGS.TS Trương Việt Anh Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 20 tháng 8 năm 2016 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Toàn Sinh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1976 Nơi sinh: Thái Nguyên Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1441830021 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN BẰNG BIẾN TẦN II- Nhiệm vụ và nội dung: 1. Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập. - Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV. 2. Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần đa bậc lai. - Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần mềm MATLAB. - Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai. 3. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai. - Đánh giá kết quả mô phỏng. III- Ngày giao nhiệm vụ: 20/08/2015 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 11/01/2016 V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS TS. Nguyễn Thanh Phương
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên)
ii LỜI CÁM ƠN Xin cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh, PGS TS. Nguyễn Thanh Phương, Quý Thầy Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp 14SMD11 và cá nhân tôi trong suốt học trình nghiên cứu và học tập thach sỹ tại trường. Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS TS. Nguyễn Thanh Phương, những người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này. Cám ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hôm nay. Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này. Xin trân trọng và chân thành gửi lại tất cả nơi đây lòng tri ân sâu sắc nhất. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2016 Người thực hiện luận văn
iii TÓM TẮT I. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài : Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai, cụ thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật toán điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới. II. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài : 1. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập. - Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV. - Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần đa bậc lai. - Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần mềm MATLAB. - Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai. - Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai. - Đánh giá kết quả mô phỏng. - Kết luận. 2. Giới hạn của đề tài Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như sau: Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực.
iv ABSTRACT I. The purposes, the objects and the subjects of the research study This study is aimed at researching the control system connected to the solar cellsby the grid usingthe hybrid inverter, namely: the solar cells and MPPT algorithms, thehybrid inverter and modulation techniques,and the algorithmscontrolling the systems connected to PV by the grid. II. The procedures and the limitations of the research study: 1. the procedures of the research study -study the solar powerand the effectively used solutions, the structures and principles of photovoltaic (PV), the types of the PV systemsconnectedto the gridsand independent PV systems. -study the detection algorithmssearching for the maximum power point of PV systems - researchthe multi-level inverter theory, the hybrid inverter and PWM control techniques for multi-level hybrid inverter. - establishthe algorithms and simulate models ofthe 5-stephybrid inverter recommended by MATLAB software - study the controlled algorithms of the system connected to PV by hybrid inverter. - model and simulate the system connected to PV by hybrid inverter - evaluate the results of simulation. - conclusion. 2. the limitations of the research study Due to the limited time and research conditions, the research study only focusses on studying the control of the system connected to PV by the grid using the hybrid inverter through modelling and simulating by using Matlab/Simulink tools. The calculation of the design of PV panel and the real model design are not conducted in this study with the limitations of the above mentioned conditions.
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. ii TÓM TẮT.................................................................................................................. iii ABSTRACT .............................................................................................................. iv MỤC LỤC ...................................................................................................................v DANG MỤC VIẾT TẮT .......................................................................................... ix DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................x DANG MỤC CÁC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH ........................................ xi Chương 1 TỔNG QUAN .............................................................................................1 1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu .......................................................................1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................5 1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu ..................................5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................7 2.1 Năng lượng mặt trời. .........................................................................................7 2.2 Pin quang điện (PV). .........................................................................................8 2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV. ....................................................8 2.2.2 Mạch tương đương của PV. ......................................................................10 2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các tổn hao. ......................................................10 2.2.4 Tấm PV. ....................................................................................................12 2.2.5 Hệ thống dãy PV. ......................................................................................13 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV. ........................................................................15 2.3.1 Cường độ chiếu sáng. ...............................................................................15 2.3.2 Góc chiếu sáng ..........................................................................................16 2.3.3 Hiệu ứng bóng mờ ....................................................................................17 2.3.4 Hiệu ứng nhiệt độ .....................................................................................19 2.3.5 Hiệu ứng thời tiết. .....................................................................................20 2.3.6 Hòa hợp tải điện. .......................................................................................21 2.3.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời. ........................................22 2.4 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT ..................22 2.4.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) .............................................22
vi 2.4.2 Bộ điều khiển MPPT ................................................................................25 2.4.3 Bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost converter) ...........................................25 2.4.4 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) ............................28 2.4.4.1 Xáo trộn và theo dõi P&O .................................................................28 2.4.4.2 Tăng tổng dẫn INC .............................................................................32 2.4.4.3 Thuật toán điều khiển điện áp hở mạch .............................................34 2.5 Các dạng cấu trúc bộ chuyển đổi PV ..............................................................35 2.5.1. Bộ chuyển đổi tập trung (Centralized Converters) ..................................35 2.5.2. Bộ chuyển đổi theo dãy (String Converters) ...........................................35 2.5.3. Bộ chuyển đổi đa dãy (Multi-String Converters) ....................................36 2.5.4. Bộ chuyển theo modul AC (AC-Module Converters) .............................36 2.6 Các dạng pin quang điện nối lưới và hoạt động độc lập ................................36 2.6.1 Dạng nối lưới ............................................................................................36 2.6.1.1 Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui.....................................37 2.6.1.2 Hệ thống pin quang điện có bộ ắc qui................................................38 2.6.2 Dạng độc lập .............................................................................................38 2.6.2.1 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống bơm nước ...........................39 2.6.2.2 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng ..........................39 2.6.2.3 Hệ thống PV ở những khu xa dân cư .................................................40 CHƯƠNG 3 BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN.......................................................................................................................41 3.1 Khái quát về bộ nghịch lưu áp đa bậc. ............................................................41 3.1.1 Khái niệm. .................................................................................................41 3.1.2 Phân loại. ..................................................................................................41 3.2 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc. ..........................................42 3.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped multilevel inverter –NPC)..................................................................................42 3.2.2 Cấu trúc tụ điện thay đổi (Flying capacitor inverter) ...............................44 3.2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) ............................................45 3.2.4 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc lai (Hybrid Multilevel Inverter) ................46 3.2.5 Nhận xét ....................................................................................................47
vii 3.3 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu và các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM. ..........................................................................48 3.3.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu. ....................48 3.3.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM ......................................49 3.3.2.1 Bố trí cùng pha (PD: In phase Disposition) : .....................................49 3.3.2.2 Hai sóng mang kế tiếp nhau sẽ dịch 1800: .........................................49 3.3.2.3 Bố trí đối xứng qua trục Zero: ...........................................................50 3.4 Các phương pháp điều chế bộ nghịch lưu áp. .................................................51 3.4.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin–PWM). .............................51 3.4.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO – PWM) ..................52 3.4.3 Phương pháp điều chế vectơ không gian ..................................................53 3.4.3.1 Khái niệm vector không gian .............................................................53 3.4.3.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc : ..............................54 3.4.4 Phương pháp điều khiển PWM dòng điện. ...............................................56 3.4.4.1 Phương pháp dùng mạch tạo trễ (hystereris current control).............56 3.4.4.2 Phương pháp điều khiển dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh PI (ramp comparison current control) ...........................................................................57 3.4.5 Phương pháp điều khiển vector dòng điện (Space vector current control) ...........................................................................................................................58 3.5 Phân tích thuật toán PWM cho BNL lai 5 bậc được ghép từ 2 bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc & 2 bậc ..................................................................................................60 3.5.1 Mạch khảo sát ...........................................................................................60 3.5.2 Phân tích mạch. .........................................................................................61 3.5.3 Giải thuật cho mô hình đề xuất .................................................................61 3.5.4 Kỹ thuật điều chế sóng mang PWM cho BNL lai 5 bậc đề xuất ..............63 3.6 Mô phỏng và đánh giá chất lượng điều chế BNL lai 5 bậc đề xuất ................64 CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KẾT NỐI PV VỚI LƯỚI ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN LAI ........................................................................74 4.1 Các tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV ................................................................74 4.2 Mô hình hóa các khối trong hệ thống ...............................................................75 4.2.1 Khối PV array............................................................................................76
viii 4.2.2 Khối MPPT và DC/DC converter ..............................................................79 4.2.2.1 Khối MPPT .........................................................................................79 4.2.2.2 Khối DC/DC converter (Buck-Boost converter) .................................83 4.2.4 Khối máy biến áp và lưới ..........................................................................86 4.2.5 Các khối chuyển đổi tín hiệu .....................................................................88 4.3 Mô hình hệ thống điều khiển hoàn chỉnh .........................................................89 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN ..........................................................................................97 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................98
ix DANG MỤC VIẾT TẮT PV- photovoltaic α - phase angle of reference vector λ - power factor φ - phase angle of current ω - angular frequency ψ - phase angle ε - control phase angle cosφ - fundamental power factor f – frequency R – resistance S – apparent power T – time period P – active power Q – reactive power Z - impedance ..a, ..b, ..c - phases of three-phase system DPC Direct Power Control DSP Digital Signal Processor IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor PLL Phase Locked Loop PWM Pulse-Width Modulation REC Rectifier SVM Space Vector Modulation THD Total Harmonic Distortion VF Virtual Flux VFOC Virtual Flux Oriented Control VF-DPC Virtual Flux Based Direct Power Control
x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Giá trị cosin Kelley của dòng quang điện trong tế bào Silic. ..................17 Bảng 3.1: Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng thái kích đóng ....44 Bảng 3.2: Nguyên tắc tổng hợp điện áp nghịch lưu lai bảy bậc hình 3.4 ................47 Bảng 3.3: Điện áp và các chỉ số điều chế của bộ nghịch lưu lai 5 bậc (V=Vd). ......62 Bảng 4.1: Các tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV [4]. ................................................74 Bảng 4.2: Các thông số môđun PV EC-110-G. ........................................................78 Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng các giá trị điện áp, dòng điện và công suất tại MPP của array gồm 5 môđun PV EC-110-G mắc nối tiếp. ...............................................83 Bảng 4.5: Các thông số chính cho việc mô phỏng mô hình đưa ra. ...........................90
xi DANG MỤC CÁC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH Hình 2.1: Phổ năng lượng mặt trờiGT [ERDA/NASA-1997] .....................................8 Hình 2.2: Cấu tạo các lớp PV. ....................................................................................9 Hình 2.3: Mạch tương đương của PV. ......................................................................10 Hình 2.4: Sơ đồ ngắn mạch và hở mạch của PV. .....................................................10 Hình 2.5: Sơ đồ mạch cell PV thực tế. ......................................................................11 Hình 2.6 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi Rs ...............................................................11 Hình 2.7 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi Rp ...............................................................11 Hình 2.8: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp .............................................12 Hình 2.9: Hình dạng Cell, Module và Array của PV. ...............................................13 Hình 2.10: Hình thức ghép và đường đặc tính I -V của môđun PV ..........................13 Hình 2.11: Array PV nối tiếp ...................................................................................13 Hình 2.12: Đường đặc tính I -V của Array PV nối tiếp ...........................................14 Hình 2.13: Array PV nối song song .........................................................................14 Hình 2.14: Đường đặc tính I -V của Array PV nối song song .................................14 Hình 2.15: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp ..........................................15 Hình 2.16: Đường đặc tính I -V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp ..15 Hình 2.17: Đặc tính I -V dịch xuống khi chiếu độ giảm ...........................................16 Hình 2.18: Hiệu suất chuyển đổi quang điện theo bức xạ, hiệu suất này ổn định khi bức xạ tăng. ...............................................................................................................16 Hình 2.19: Đường cong cosin Kelly đối với pin quang điện tại góc từ 0 đến 90 .17 Hình 2.20: Hiệu ứng bóng mờ trên một dãy pin quang điện. ...................................18 Hình 2.21: Diode thông trong dãy pin quang điện tối thiểu hóa việc hao hụt công suất do hiệu ứng bóng mờ nhiều. ..............................................................................18 Hình 2.22: Hiệu ứng của nhiệt độ trên đặc tính I-V. Tế bào sinh ít dòng nhưng nhiều ..........................................................................................................................19 Hình 2.23: Hiệu ứng nhiệt độ trên đặc tính P-V. ......................................................20 Hình 2.24: Hoà hợp tải và ổn định vận hành với tải trở và tải công suất hằng số. .21 Hình 2.25: Bộ xoay hai trục, xoay theo măt trời giống như bông hướng dương .....22 Hình 2.26 : Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ ........................................23 Hình 2.27: Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R .........................................24
xii Hình 2.28: Điểm MPP của PV. .................................................................................24 Hình 2.29: Các điểm làm việc của tải thuần trở. ......................................................25 Hình 2.30: Sơ đồ khối bộ MPPT điều khiển DC-DC converter. ..............................25 Hình 2.31: Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost Converter)................................26 Hình 2.32: Sơ đồ mạch Buck_Boost Converter. ......................................................26 Hình 2.33: Giản đồ xung đóng cắt của bộ Buck_Boost Converter. .........................27 Hình 2.34: Lưu đồ thuật toán P&O. .........................................................................29 Hình 2.35: Hệ PV phát năng lượng về lưới điện ..........................................................30 Hình 2.36: Khi chiếu độ thay đổi điểm MPP sẽ sai theo thuật toán P&O. ..................30 Hình 2.37: Cấu tạo một Cell PV .................................................................................31 Hình 2.38: Đặc tính P- I của môđun PV khi chiếu độ thay đổi. ....................................32 Hình 2.39: Lưu đồ thuật toán INC ............................................................................34 Hình 2.40: Tổng quan theo lịch sử của các bộ chuyển đổi PV. ................................35 Hình 2.41: Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui .........................................37 Hình 2.42: Hệ thống pin quang điện có bộ ắc qui ....................................................38 Hình 2.43: Hệ thống bơm nước được cấp nguồn từ hệ thống pin quang điện .........39 Hình 2.44: Hệ thống chiếu sáng được cấp nguồn từ pin quang điện .......................40 Hình 2.45: Hệ thống pin quang điện ở những khu xa dân cư. ..................................40 Hình 3.1: Bộ nghịch lưu áp dạng diode kẹp (NPC) ..................................................43 Hình 3.2: Bộ nghịch lưu áp dạng tụ điện thay đổi ....................................................44 Hình 3.3: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascader inverter. ....................................45 Hình 3.4: Cấu trúc nghịch lưu lai một pha bảy bậc .................................................46 Hình 3.5: Sóng mang dạng PD .................................................................................49 Hình 3.6: Sóng mang dạng APOD ............................................................................50 Hình 3.7: Sóng mang dạng POD ..............................................................................50 Hình 3.8: Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang. ....................53 Hình 3.9. Vector không gian .....................................................................................54 Hình 3.10. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 bậc ......................................55 Hình 3.11: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch tạo trễ ...................................56 Hình 3.12: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch hiệu chỉnh .............................57 Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện trong hệ tọa độ quay. 58
xiii Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện trong hệ tọa độ đứng yên. ............................................................................................................................59 Hình 3.15: Thuật toán PWM cho bộ nghịch lưu 3 bậc & 2 bậc. ..............................60 Hình 3.16: Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu lai 3 pha 3 bậc & 2 bậc ...............................60 Hình 3.17: a) Mô hình tương đương từ mạch khảo sát - b)Mạch tương đương cuối cùng . .........................................................................................................................61 Hình 3.18: Sơ đồ mô phỏng tổng quát trong Simulink. ............................................64 Hình 3.19 : Điện áp điều khiển .................................................................................65 Hình 3.20: Khối khởi tạo xung kích. .........................................................................65 Hình 3.21: Tín hiệu sóng điều chế pha A ..................................................................66 Hình 3.22: Tín hiệu sóng điều chế pha B ..................................................................66 Hình 3.23: Tín hiệu sóng điều chế pha C .................................................................67 Hình 3.25: Xung kích S1a .........................................................................................68 Hình 3.26: Xung kích S1a’ ........................................................................................68 Hình 3.27: Xung kích S2a .........................................................................................68 Hình 3.28: Xung kích S2a’ ........................................................................................69 Hình 3.29: Xung kích S3a ........................................................................................69 Hình 3.30: Xung kích S3a’ ........................................................................................69 Hình 3.31: Dạng sóng dòng điện tải 3 pha. ..............................................................70 Hình 3.32: Dạng sóng điện áp 1 pha tải. ..................................................................70 Hình 3.33: Dạng sóng điện áp dây của tải. ..............................................................70 Hình 3.34: Dạng sóng điện áp pha tâm nguồn. ........................................................71 Hình 3.35: Phổ hài của dòng điện pha tải. ...............................................................71 Hình 3.36: Tỉ lệ các bậc hài của dòng điện pha tải. .................................................72 Hình 3.37: Phổ hài của điện áp pha tải. ...................................................................72 Hình 3.38: Phổ hài của điện áp pha-pha tải.............................................................73 Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển được đưa ra. ......................................75 Hình 4.2: Sơ đồ mạch nguồn Vd kép của khối PV Source. .......................................76 Hình 4.3: Sơ đồ mạch nguồn 2Vd của khối PV Source. ...........................................77 Hình 4.4: Sơ đồ mô hình môđun PV .........................................................................78 Hình 4.5: Đồ thị đặc tính môđun PV EC-110-G ứng với chiếu độ G = 1000W/m2..79
xiv Hình 4.6: Đồ thị đặc tính môđun PV ứng với G = 200, 400, 600, 800, 1000W/m2 ..79 Hình 4.7: Mô hình Simulink của khối MPPT. ...........................................................80 Hình 4.8: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến. ...............................................................81 Hình 4.9: Mô hình mô phỏng giải thuật MPPT cải tiến tìm MPP cho 5 môđun PV EC-110-G mắc nối tiếp trong trường hợp chiếu độ thay đổi. ...................................82 Hình 4.10: Đáp ứng điện áp, dòng điện và công suất của array gồm 5 môđun PV mắc nối tiếp khi chiếu độ thay đổi. ...........................................................................82 Hình 4.11: Mô hình Simulink của mạch Buck-Boost converter. ...............................83 Hình 4.12: Mô hình mô phỏng mạch Buck-Boost converter được cấp nguồn từ PV array qua thuật toán MPPT. ......................................................................................84 Hình 4.13: Kết quả mô phỏng mạch Buck-Boost converter ở hình 4.12. ..................85 Hình 4.14: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất. a) BNL 3 bậc NPC ; b) BNL 2 bậc thông thường. ..........................................................................................86 Hình 4.15: Các thông số mô hình khối máy biến áp. ................................................87 Hình 4.16: Các thông số mô hình khối lưới ba pha. .................................................87 Hình 4.17: Mô hình hệ thống điều khiển hoàn chỉnh................................................90 Hình 4.18: Dạng sóng áp điều khiển. ........................................................................91 Hình 4.19: Dạng sóng sóng mang 6kHz. ...................................................................91 Hình 4.20: Dạng sóng áp pha ngõ ra bộ nghịch lưu..................................................92 Hình 4.21: Dạng sóng dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu. ............................................92 Hình 4.22: Dạng sóng điện áp dây tại điểm kết nối chung (PCC). ...........................92 Hình 4.23: Dạng sóng dòng điện ba pha tại PCC. ....................................................92 Hình 4.24: Dạng sóng dòng điện tại PCC với trường hợp lưới bị mất điện (0.04- 0.06s). ........................................................................................................................93 Hình 4.25: Dạng sóng dòng điện ba pha tại PCC. ....................................................93 Hình 4.26: Dạng sóng áp pha A của hệ thống phát và lưới được đồng bộ. ...............93 Hình 4.27: Phổ hài của dòng điện pha A tại điểm kết nối chung. ..............................94 Hình 4.28: Tỉ lệ của dòng hài bậc 2 đến bậc 10 tại điểm kết nối chung. ...................94 Hình 4.29: Phổ hài của điện áp pha A tại điểm kết nối chung. ..................................95
1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu Trong những năm gần đây, vì sự thiếu hụt năng lượng trên khắp thế giới và vấn đề sử dụng năng lượng an toàn đã dẫn đến ngày càng có nhiều sự quan tâm đến phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Các lợi ích từ các nguồn năng lượng tái tạo đã được thừa nhận rộng rãi. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời không phát ra bất kỳ chất độc nào làm ô nhiễm nước, không khí hay đất, và hơn nữa, năng lượng mặt trời là vô tận, không bao giờ hết được. Một trong các cách để sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả là dùng pin quang điện (PV-Photovoltaic) kết nối lưới điện với quy mô lớn. Số hệ thống PV được nối với lưới điện đã gia tăng theo số mũ. Mặt khác, với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất và công nghệ xử lý tín hiệu, việc nghiên cứu bộ chuyển đổi đa bậc trở thành một trong những trọng tâm trong lĩnh vực điện tử công suất. So với các bộ chuyển đổi hai bậc thông thường, bộ chuyển đổi đa bậc có nhiều thuận lợi và điểm thu hút như sau: - Có thể tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp - Chúng cho dòng ngõ ra với độ méo rất thấp - Chúng phát ra điện áp common-mode (CM) thấp hơn. Ngoài ra, việc sử dụng các phương pháp điều chế tinh vi, điện áp CM có thể được loại bỏ. - Chúng có thể vận hành với tần số đóng ngắt thấp hơn, dẫn đến tổn thất đóng cắt thấp hơn và hiệu suất cao hơn. Chính vì những vấn đề trên mà việc nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới dùng biến tần đa bậc lai là một đề tài cần triển khai thực hiện trong giai đoạn hiện nay. * Một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống kết nối PV với lưới được tóm tắt như sau: [1] N.A. Rahim, J. Selvaraj, C. Krismadinata, “Five-level inverter with dual reference modulation technique for grid-connected PV system”, Crown Copyright 2009 Published by Elsevier Ltd. Bài báo này trình bày một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha với kỹ thuật hai tín hiệu điều chế mới. Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch
2 tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu PWM. Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4 điốt và một công tắc. Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2Vdc, Vdc, - 1/2Vdc, và - Vdc. Một thuật toán điều khiển dòng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ sung trong DSP TMS320F2812 để giữ dòng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp. Tính hiệu lực của bộ nghịch lưu đưa ra được chứng minh qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm so với bộ nghịch lưu PWM nối lưới ba bậc một pha thông thường về mặt THD. * Ưu điểm: - Tạo ra dòng điện bơm vào lưới hình sin - Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp hơn (7,5% so với BNL 3 bậc thông thường là 12,8%) - Dùng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm việc của đường cong I-V ở giá trị cực đại. Thuật toán MPPT sẽ đảm bảo rằng công suất cực đại được phân phối từ các dãy pin mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào. - Dòng và áp lưới cùng pha ở hệ số công suất gần bằng 1 (0,99) - Kích cỡ bộ lọc nhỏ - Nhiễu điện từ (EMI) thấp * Hạn chế: - Hiệu suất BNL đưa ra (90%) thấp hơn so với BNL 3 bậc thông thường (92%) - Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép. - Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp nguồn lưới bị sự cố và mất điện. [2]. Longhua Zhou, Qing Fu, Xiangfeng Li, and Changshu Liu, “A Novel Photovoltaic Grid-connected Power Conditioner Employing Hybrid Multilevel Inverter”, 2009. Để đạt được dòng điện ngõ ra gần hình sin, nâng cao chất lượng điện năng, và giảm tổn thất năng lượng, bài báo này trình bày một hệ thống điều hòa công suất nối lưới pin mặt trời (PVPC) dựa trên BNL đa bậc lai. Trong cấu trúc được đưa ra, mỗi pha của BNL bao gồm hai bộ chuyển đổi cầu H, và hai bộ chuyển đổi được nối bởi