Lý do ch ọn đề tài
Cuộc sống hiện đại ngày càng phát triển, dẫn đến nhu cầu sử dụng năng lượng tăng nhanh chóng, đặc biệt tại các quốc gia phát triển và đang phát triển như Việt Nam Nhu cầu sử dụng năng lượng hóa thạch tại Việt Nam ngày càng lớn, gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng cho môi trường và tài nguyên thiên nhiên Một giải pháp khoa học mới được áp dụng để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch là điện năng lượng mặt trời, hứa hẹn mang lại lợi ích bền vững cho tương lai.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và tái tạo, với trữ lượng dồi dào từ mặt trời Việc khai thác năng lượng mặt trời không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm ô nhiễm môi trường, đồng thời mang lại hiệu quả kinh tế bền vững.
Việt Nam sở hữu nguồn năng lượng mặt trời phong phú với trung bình 2.200 giờ nắng mỗi năm và cường độ bức xạ cao lên đến 5,7 kWh/m²/ngày Tuy nhiên, hiện tại, nguồn điện chủ yếu của nước ta vẫn đến từ nhiệt điện và thủy điện Các chuyên gia cảnh báo rằng nhu cầu điện năng sẽ gia tăng mạnh mẽ, dự kiến tăng từ 15% đến 20% mỗi năm, dẫn đến nguy cơ thiếu hụt điện năng nghiêm trọng.
Vào ngày 11 tháng 4 năm 2017, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg nhằm khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam Quyết định này áp dụng cho các tổ chức và cá nhân tham gia vào lĩnh vực này, dẫn đến sự hình thành và hoạt động của nhiều dự án nhà máy điện mặt trời trên cả nước.
Điện tử công suất ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hiện đại, giúp sử dụng điện năng một cách hiệu quả hơn Các linh kiện điện tử công suất như lò cao tần và hệ thống truyền tải điện một chiều được ứng dụng rộng rãi trong việc biến đổi và điều khiển công suất Những thiết bị điện tử công suất mới đã được cải tiến để nâng cao hiệu suất năng lượng, mở rộng phạm vi ứng dụng trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa công nghiệp, lưu trữ năng lượng, và chuyển đổi giữa các dạng điện năng khác nhau Sự hoàn thiện liên tục về dòng điện, điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn đã góp phần quan trọng vào sự phát triển này.
Với sự gia tăng mạnh mẽ của thiết bị điện tử công suất và nhu cầu cấp thiết trong việc phát triển năng lượng mặt trời, luận văn này tập trung vào việc "Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của nhà máy điện mặt trời" Mục tiêu là làm chủ công nghệ trong lĩnh vực điện mặt trời, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện.
Nội dung và mục đích nghiên cứu
Nội dung và mục đích nghiên cứu của luận văn là:
- Tổng quan về điện mặt trời;
- Nghiên cứu các bộ biến đổi điện tử công suất phù hợp với việc kết nối điện mặt trời với lưới điện;
- Nghiên cứu các hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha;
- Phân tích, đánh giá chất lượng điện áp của nhà máy điện mặt trời;
- Kiểm nghiệm các khuyến nghị thông qua mô phỏng trên máy tính.
Phương pháp nghiên cứ u
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về điện mặt trời và bộ biến đổi điện tử công suất
Bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời với lưới điện Nghiên cứu chức năng của bộ biến đổi này giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự ổn định của hệ thống năng lượng tái tạo.
Nghiên cứu sử dụng Matlab/Simulink nhằm xây dựng mô hình bộ biến đổi điện tử công suất, dựa trên lý thuyết tổng hợp về bộ biến đổi điện tử công suất và các chức năng hiện có của các bộ biến đổi.
Xây dựng mô phỏng trên Matlab/Simulink giúp đánh giá hiệu quả của bộ biến đổi trong việc đảm bảo chất lượng điện áp Việc này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về hoạt động của bộ biến đổi mà còn hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế nhằm nâng cao hiệu suất điện năng.
C ấ u trúc lu ận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của đề tài được trình bày thành 3 chương Bố cục của nội dung chính của luận văn gồm:
Chương 1: Tổng quan về điện mặt trời
Chương 2: Các bộđiện tử công suất trong nhà máy điện mặt trời
Chương 3: Phân tích chất lượng điện áp của nhà máy điện mặt trời.
TỔ NG QUAN V Ề ĐIỆ N M Ặ T TR Ờ I
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.1 Giới thiệu năng lượng mặt trời
Mặt Trời, với đường kính khoảng 1,4 triệu km, là một khối cầu khí có nhiệt độ cực cao, đạt gần 15 triệu độ ở bên trong và áp suất gấp 70 tỷ lần so với áp suất khí quyển Trái Đất Điều kiện này tạo ra môi trường lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ các phản ứng này khi di chuyển từ tâm Mặt Trời ra ngoài sẽ tương tác với các nguyên tố khác, chuyển đổi thành bức xạ có năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và nhiệt Bức xạ điện từ này trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra khắp không gian Quá trình bức xạ của Mặt Trời đã diễn ra trong 5 tỷ năm và sẽ tiếp tục trong vài tỷ năm tới.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, được khai thác từ bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời Nó không chỉ là nguồn năng lượng chính mà còn là cơ sở cho các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối và năng lượng thủy triều Với tính chất vô tận, việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời đòi hỏi hiểu biết về các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt là khi tiếp cận bề mặt trái đất.
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro(H 2 ), Heli (He) chiếm 19,8 % các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chiếm 1,8%
Mặt trời phát ra một lượng năng lượng khổng lồ lên tới 3,865 x 10^26 J mỗi giây, tương đương với việc đốt cháy 1,321 x 10^16 tấn than đá tiêu chuẩn Tuy nhiên, bề mặt trái đất chỉ nhận được một phần rất nhỏ, khoảng 17,57 x 10^16 J.
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được tạo ra bởi các phản ứng nhiệt hạt nhân, với nhiệt độ bề mặt khoảng 6000 K và nhiệt độ bên trong có thể lên đến hàng triệu độ Áp suất bên trong mặt trời đạt mức cao hơn 340.10^18 Mpa, dẫn đến việc vật chất nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng lớn Các hạt này va chạm và gây ra hàng loạt phản ứng hạt nhân Nguồn năng lượng của mặt trời chủ yếu đến từ hai loại phản ứng hạt nhân: phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon và nitơ, cùng với phản ứng hạt nhân Proton-Proton.
Khối lượng của mặt trời khoảng 21.027 tấn, và để chuyển hóa toàn bộ khối lượng này thành năng lượng, mặt trời cần khoảng thời gian lên tới 15.1013 năm Điều này cho thấy nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn và bền vững.
1.1.2 Vai trò của năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời có khả năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng nguyên tử Với hiệu suất chuyển đổi chỉ 10% và một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara, năng lượng mặt trời có thể đáp ứng toàn bộ nhu cầu năng lượng toàn cầu.
Việc áp dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, không chỉ mang lại lợi ích sinh thái mà còn tạo ra những lợi ích kinh tế gián tiếp So với các nguồn năng lượng truyền thống, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm vượt trội, giúp giảm thiểu những tác động tiêu cực đến môi trường.
Trong tổng thể bức xạ mặt trời, chỉ có khoảng 3% bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân trong nhân mặt trời Khi bức xạ gamma đi qua lớp vật chất dày 5.105 km của mặt trời, nó trải qua sự biến đổi mạnh mẽ Tất cả các dạng bức xạ điện từ đều mang bản chất sóng và khác nhau ở bước sóng.
Bức xạ gamma là dạng sóng ngắn nhất phát ra từ tâm Mặt trời Khi di chuyển ra ngoài, năng lượng của chúng giảm do va chạm hoặc tán xạ, dẫn đến việc bức xạ chuyển thành bức xạ Röntgen với bước sóng dài hơn Gần bề mặt Mặt trời, nơi có nhiệt độ đủ thấp để vật chất tồn tại ở trạng thái nguyên tử, các cơ chế khác bắt đầu diễn ra Đặc trưng của bức xạ mặt trời trong không gian bên ngoài là một phổ rộng, với cường độ bức xạ đạt cực đại trong dải từ 10.
1 ÷ 10) μm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng (0,38 ÷ 0,78) μm đó là vùng nhìn thấy của phổ
Bức xạ trực xạ là chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời, trong khi tổng xạ là sự kết hợp giữa bức xạ trực xạ và bức xạ tán xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ngoài lớp khí quyển được tính cho 1m² bề mặt vuông góc với tia bức xạ, theo công thức cụ thể.
Tia Gamma Tử ngoại Radar, TV, Radio
Radio Radio Sóng ngắn Sóng dài Năng lượng mặt trời
Tia X Tia Cosmic Ánh sáng trong thấy 0,38 – 0,78
Gần 25 Xa 10exp -8 10exp -6 10exp -2 10exp 0 10exp 2 10exp 4 10exp 6 10exp 8 10exp10
+φD-T: hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời
4 (1.2) β - góc nhìn mặt trời với giá rị khoảng β ≈ 32’
+ C0 = 5,67 W/m 2 K 4 : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
+ T ≈ 5762 0 K - nhiệt độ bề mặt Mặt trời
Khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa, dẫn đến sự thay đổi của β và q Tuy nhiên, mức độ thay đổi này không lớn, vì vậy q có thể được xem là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
Khi ánh sáng mặt trời đi qua khí quyển Trái đất, một phần năng lượng bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong không khí Chỉ một lượng nhỏ năng lượng này được truyền trực tiếp tới bề mặt Trái đất.
Dưới tác động của bức xạ tử ngoại, ôxy phân ly thành ôxy nguyên tử O khi có các photon có bước sóng ngắn hơn 0,18μm Các photon này hoàn toàn bị hấp thụ, dẫn đến việc chỉ một phần nguyên tử ôxy kết hợp thành phân tử, trong khi phần lớn tương tác với nhau để tạo thành ôzôn O3 Ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng ở mức độ thấp hơn so với ôxy, và khi tiếp xúc với photon có bước sóng ngắn hơn 0,32μm, O3 phân tách thành O2 và O Do đó, hầu hết năng lượng từ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của ôxy.
O2 và O3 tham gia vào một quá trình ổn định, trong đó bức xạ tử ngoại khi đi qua khí quyển sẽ được chuyển đổi thành bức xạ có năng lượng thấp hơn.
Các bức xạ có bước sóng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với phân tử khí và hạt bụi trong không khí mà không làm phá vỡ các liên kết của chúng Khi đó, các photon bị tán xạ đều theo mọi hướng, và một phần trong số đó quay trở lại không gian vũ trụ.
Hình 1 3 Quá trình truy ền năng lượ ng b ứ c x ạ m ặ t tr ờ i qua l ớ p khí quy ể n c ủ a Trái đấ t
PIN MẶT TRỜI – CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ
Pin năng lượng mặt trời là thiết bị bán dẫn chứa nhiều diod p-n, có khả năng tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời thông qua hiệu ứng quang điện Do đó, năng lượng mặt trời rất phù hợp cho những khu vực chưa được kết nối với lưới điện.
1.2.1 Cấu tạo pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, cho phép chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.
Hình 1 10 T ế bào pin m ặ t tr ờ i cơ b ả n
Hiện tại, vật liệu chủ yếu để chế tạo Pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời chế tạo từ tinh thể silic chia làm 3 loại:
+ Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Pin mặt trời đơn tinh thể Czochraski có hiệu suất từ 11% đến 16%, nhưng giá thành cao do được sản xuất từ các thỏi hình ống Các tấm pin này có các mặt trống ở góc nối giữa các module, giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời.
Đa tinh thể được sản xuất từ silic nung chảy được làm nguội và làm rắn, thường có giá thành thấp hơn so với đơn tinh thể Mặc dù hiệu suất của chúng chỉ đạt từ 8% đến 11%, nhưng chúng có khả năng tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt lớn hơn, giúp bù đắp cho hiệu suất thấp này.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng làm từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này có hiệu suất thấp nhất, chỉ từ 3% đến 6%, nhưng nó lại là lựa chọn kinh tế nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Hình 1 11 Các lo ạ i c ấ u trúc pin m ặ t tr ờ i
Điện tử thường ở mức năng lượng thấp hơn E1 Khi hệ thống được chiếu sáng, photon mang năng lượng hν sẽ được điện tử hấp thụ, dẫn đến việc điện tử chuyển lên mức năng lượng E2.
Phương trình cần bằng năng lượng: hν = E1-E2
Hình 1 12 Nguyên lý ho ạ t độ ng c ủ a pin m ặ t tr ờ i
Hình 1 13 H ệ th ố ng 2 m ứ c nă ng l ượ ng (E1 Eg = Ec - Ev.
Suy ra bước sóng tới hạnλ của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e' - h+ là: λ = hc/( Ec - Ev) (1.16)
Khi ánh sáng chiếu vào vật rắn, các điện tử trong vùng hóa trị hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển lên vùng dẫn, dẫn đến sự hình thành cặp hạt dẫn điện tử và lỗ trống, tạo ra điện thế Hiện tượng này được gọi là hiện tượng quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n
Hình 1 15 Hi ệ n t ượ ng quang đ i ệ n trên l ớ p bán d ẫ n
Khi photon tiếp xúc với mảnh silic, chúng có thể truyền qua hoặc bị hấp thu bởi silic Hiện tượng truyền qua thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn mức cần thiết để nâng cao các hạt electron, trong khi hấp thu xảy ra khi năng lượng của photon vượt quá ngưỡng này.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó truyền đến các electron trong màng tinh thể, thường là các electron ở lớp ngoài cùng, khiến chúng trở nên dẫn điện và có khả năng di chuyển tự do trong bán dẫn Sự kích thích này tạo ra lỗ trống khi nguyên tử thiếu một electron, và lỗ trống này cho phép các electron từ nguyên tử lân cận di chuyển để lấp đầy, tạo ra thêm lỗ trống cho các nguyên tử kế tiếp Quá trình này tiếp tục diễn ra, khiến lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon cần có năng lượng lớn hơn mức tối thiểu để kích thích electron ở lớp ngoài cùng Với tần số của mặt trời khoảng 6000°K, năng lượng chủ yếu được silic hấp thu Tuy nhiên, phần lớn năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành nhiệt năng thay vì điện năng.
Một tế bào mặt trời sản sinh lượng điện năng hạn chế, do đó, để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện năng lớn, người ta thường kết hợp nhiều tế bào mặt trời thành các nhóm gọi là module mặt trời Mỗi module được trang bị một khung để giữ các tế bào, có khả năng tạo ra vài trăm watt điện năng Để đạt công suất cao hơn, các module có thể được ghép lại thành ma trận mặt trời.
NHÀ MÁY ĐIỆ N M Ặ T TR Ờ I
1.4.1 Tổng quan về các nhà máy điện mặt trời trên thế giới và Việt Nam
Điện mặt trời trên thế giới
Xu hướng toàn cầu hiện nay là phân tán các nguồn cung năng lượng quy mô lớn, dẫn đến sự gia tăng công suất điện mặt trời cho các nhà máy Những nỗ lực nghiên cứu đã nâng cao hiệu suất pin, đạt tới 40% theo kết quả của NREL, và từ 16-20% cho các loại pin tinh thể silic thông thường Điều này tạo ra động lực lớn để tăng tính cạnh tranh cho điện mặt trời bằng cách giảm thiểu nhược điểm về diện tích lắp đặt và giá thành của pin mặt trời.
Xu thế toàn cầu hiện nay đang nghiêng về việc tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo và giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch Chẳng hạn, vào năm 2013, điện gió đã đáp ứng 33,2% nhu cầu điện ở Đan Mạch và 21% ở Tây Ban Nha Nhiều cộng đồng và quốc gia, như Djibouti, Scotland và các quốc đảo Tuvalu, đã đặt mục tiêu sử dụng 100% điện năng lượng tái tạo vào năm 2020 Đức cũng đặt ra mục tiêu đến năm 2020, khoảng 20 triệu dân trong tổng số 65 triệu dân sẽ sống ở các khu vực sử dụng 100% năng lượng tái tạo.
Dự án xây dựng nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới tại sa mạc Sahara, có công suất 100GW, sẽ cung cấp 15% nhu cầu năng lượng cho châu Âu Dự kiến hoàn thành vào năm 2050, dự án này thu hút sự tham gia của 12 tập đoàn lớn trên toàn cầu, với tổng giá trị lên đến 555 tỷ USD.
Bảng 1.1 Một số dự án điện mặt trời trên thế giớ i tính tới 7/2018 [5]
Dự án Nước Công suất
1 Tengger Desert Solar Part Trung Quốc 1547
2 Kumool Ultra Mega Solar Part Ấn Độ 1000
3 Datong Solar Power Top Runner Base Trung Quốc 1000
4 Longyangxia Dam Solar Part Trung Quốc 850
5 Rewa Ultra Mega Solar Ấn Độ 750
6 Bhadla Solar Part Ấn Độ 746
7 Kamuthi Solar Power Project Ấn Độ 648
8 Pavagada Solar Part Ấn Độ 600
Điện mặt trời tại Việt Nam
Việt Nam thuộc vùng có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng dao động từ 1600-2600 giờ/năm, (trung bình xấp xỉ
Việt Nam, đặc biệt là khu vực miền Trung và miền Nam, được đánh giá có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với mức năng lượng trung bình đạt 5kWh/m²/ngày Các chuyên gia dự đoán rằng nhu cầu sử dụng thiết bị năng lượng mặt trời sẽ gia tăng mạnh mẽ trong tương lai, không chỉ ở thành phố mà còn ở nông thôn Pin mặt trời có khả năng thay thế nguồn năng lượng từ thủy điện nhỏ trong mùa khô và cung cấp nguồn dự trữ khi điện lưới quốc gia không đáp ứng đủ nhu cầu.
Mặc dù Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về điện mặt trời, nhưng chi phí phát triển hiện tại vẫn còn cao, dẫn đến nhiều dự án điện mặt trời chưa được triển khai hiệu quả.
Việt Nam chủ yếu có quy mô nhỏ
• Dự án Nhà máy điện mặt trời Phước Hữu – Ninh Thuận với công suất 50MW khởi công xây dựng vào tháng 6/2018 và được khánh thành ngày 6/7/2019 [7]
• Dự án cụm công trình Nhà máy điện mặt trời Srêpốk 1 và Quang Minh có công suất 100MWP khởi công xây dựng vào ngày 19/10/2018 và được khánh thành ngày 3/2019 [2]
• Dự án cụm 3 nhà máy điện mặt trời có công suất 330 MW đặt tại xã Phước Ninh – Ninh Thuận có công suất 330MW được khánh thành ngày 27/4/2019 [11]
Dự án tổ hợp điện mặt trời và điện gió có tổng công suất 243 MW, tọa lạc tại hai xã Lợi Hải và Bắc Phong, huyện Thuận Bắc, tỉnh Ninh Thuận, đã chính thức được khánh thành vào ngày 27 tháng 4 năm 2019.
• Dự án Nhà máy điện mặt trời TTC Phong Điền – Thừa Thiên Huế với công suất 35MW được khánh thành ngày 5/10/2018 [8]
• Dự án Nhà máy điện mặt trời Cát Hiệp – Bình Định với công suất 49,5MW khởi công xây dựng vào tháng 10/2018 và được hoàn thành tháng 5/2019 [9]
• Dự án Nhà máy điện mặt trời và điện gió Fujiwara Bình Địnhvới công suất 100MW khởi công xây dựng vào tháng 4/2018 [6]
1.4.2 Cấu trúc phần điện của nhà máy điện mặt trời nối lưới quốc gia
Hình 1 29 Sơ đồ ph ần điện nhà máy điệ n m ặ t tr ờ i
Cấu trúc phần điện của nhà máy điện mặt trời bao gồm việc chuyển đổi điện áp từ các tấm pin mặt trời qua bộ ổn định điện áp DC/DC, sau đó được chuyển đổi thành điện AC thông qua hệ thống nghịch lưu DC/AC Nguồn điện này được kết nối với lưới điện quốc gia thông qua máy biến áp, máy cắt trạm biến áp và máy cắt nhà máy Hệ thống nghịch lưu DC/AC được điều khiển bởi trạm điều khiển của nhà máy, trong khi việc kết nối lên lưới điện được giám sát bởi hệ thống điều độ quốc gia.
Dưới đây là một sơ đồ cụ thể của một nhà máy điện mặt trời nối lưới cụ thể:
PV Bộ ổn định DC Bộ nghịch lưu
DC/AC Máy biến áp Máy cắt Máy cắt Lưới điện Khối Mv
H ìn h 1 30 Sơ đồ n ối đ iệ n c hí nh c ụ m n g h ịc h l ưu tr on g n hà m áy đi ệ n m ặ t tr ờ i
H ìn h 1 31 Sơ đồ n ối đ iệ n c hí nh t r ạ m phâ n p h ối tr on g n hà m áy đ iệ n m ặ t tr ờ i
K Ế T LU ẬN CHƯƠNG 1
Chương 1 của luận văn cung cấp cái nhìn tổng quan về năng lượng mặt trời và điện mặt trời, bao gồm bức xạ mặt trời và cách tính toán năng lượng mặt trời truyền tới mặt đất Luận văn cũng phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc tính làm việc của pin mặt trời, từ đó nghiên cứu các mô hình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.
Trên cơ sở tổng quan về năng lượng mặt trời và điện mặt trời, luận văn tiến hành các phân tích chi tiết vềđiện mặt trời ở chương tiếp theo.
CÁC B Ộ ĐIỆ N T Ử CÔNG SU Ấ T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆ N M Ặ T TR Ờ I
CẤU TRÚC MẠCH ĐỘNG LỰC
Hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng sơ đồ mạch độ ng lực, trong đó điện một chiều từ các tấm pin mặt trời được ổn định qua bộ chuyển đổi DC/DC Sau khi ổn định, điện áp này được chuyển đổi thành điện xoay chiều 3 pha thông qua bộ nghịch lưu Điện áp xoay chiều sau nghịch lưu, có giá trị dưới 1 kV, sẽ được nâng lên 22 kV để kết nối các cụm vào thanh cái 22 kV Cuối cùng, điện áp sẽ tiếp tục được nâng lên 110 kV để đấu nối vào lưới quốc gia.
BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC
Hiện nay, bộ nguồn biến đổi DC-DC đang được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các mạch điện, hệ thống điện tự động và hệ thống điện một chiều.
Bộ chuyển đổi DC/DC nổi bật với hiệu suất chuyển đổi cao, tổn hao điện năng thấp và khả năng ổn định điện áp đầu ra ngay cả khi đầu vào thay đổi Hiện nay, có nhiều loại bộ chuyển đổi DC/DC, nhưng chúng chủ yếu được phân chia thành hai nhóm: cách ly và không cách ly.
* Nhóm nguồn không cách ly :
Mỗi loại bộ chuyển đổi đều có những ưu và nhược điểm riêng Trong các hệ thống điện mặt trời, bộ chuyển đổi DC/DC không cách ly thường được sử dụng phổ biến.
Bộ biến đổi Boost Converter là một thiết bị chuyển đổi nguồn DC-DC, giúp tăng điện áp đầu ra vượt quá điện áp đầu vào Thiết bị này bao gồm hai chuyển mạch bán dẫn, gồm một diode và một transistor, cùng với hai phần tử tích lũy năng lượng là một tụ điện và một cuộn dây.
Hình 2 2 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost
Hình 2 3 Hai ch ế độ c ủ a b ộ chuyển đổi Boost ph ụ thu ộ c tr ạ ng thái khóa S
Bộ Boost converter hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản như hình 2.3 Khi khóa được đóng, dòng điện sẽ chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ, giúp cuộn dây tích trữ năng lượng, trong đó phía bên trái cuộn dây mang dấu dương.
Khi khóa S mở, dòng điện ILbị giảm Tuy nhiên sự sụt giảm dòng điện
I L được chống lại bởi sức điện động tự cảm trên cuộn dây L L
Chiều điện áp trên cuộn dây đảo ngược, với bên trái mang dấu âm, dẫn đến việc hai nguồn điện nạp năng lượng cho tụ qua diode D Kết quả là điện áp ra lớn hơn điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi khi khóa S mở Khi khóa mở, tụ được nối song song với tải và tích điện tới điện áp tương ứng.
Khi khóa S được đóng, mạch bên trái sẽ nạp năng lượng cho cuộn cảm và ngắt kết nối với tụ C thông qua diode D phân cực ngược, giúp tụ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải.
Hình 2 4 Bi ểu đồ tr ạng thái đóng cắ t, dòng áp c ủ a b ộ boost
Khi bộ Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục, dòng điện qua cuộn dây (IL) luôn duy trì giá trị khác 0 Điện áp đầu ra có thể được tính toán theo công thức dưới đây, trong trường hợp bộ chuyển đổi lý tưởng sử dụng các thành phần lý tưởng và hoạt động ổn định.
Khi công tắc S ở trạng thái đóng, điện áp đầu vào Ui được áp dụng lên cuộn dây, dẫn đến sự thay đổi dòng điện IL qua cuộn dây trong một chu kỳ, được tính theo công thức.
Kết thúc trạng quá đóng, dòng IL tăng như sau:
Hệ số D thể hiện thời gian đóng khóa S, được tính bằng phân số giữa thời gian đóng khóa S và chu kỳ T Giá trị của D nằm trong khoảng từ 0 đến 1, tương ứng với trường hợp S không bao giờ đóng (D = 0) và S luôn đóng (D = 1).
Trong trạng thái khóa S mở, dòng điện qua cuộn dây vẫn tiếp tục chạy qua tải Nếu điện áp trên diode D không đáng kể và điện tích trên tụ đủ lớn, giá trị điện áp ra sẽ được duy trì ổn định.
Vo không đổi, thì dòng IL được tính như sau:
Vì vậy, sự biến đổi của IL trong chu kỳ S mở là:
Khi xem xét năng lượng trong quá trình hoạt động của bộ chuyển đổi là ổn định, năng lượng tích trữ trong cuộn L ở đầu và cuối chu kỳ chuyển mạch là giống nhau Năng lượng trong cuộn dây L được tính theo công thức cụ thể.
Dòng điện trong cuộn dây tại thời điểm bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch có giá trị giống nhau, cho thấy tổng thay đổi của dòng IL bằng 0.
Thay ∆ILon và ∆ILoff được biểu thức: i o i Lon Loff
Công thức trên nói lên điện áp đầu ra luôn cao hơn điện áp đầu vào, vì
D có giá trị từ 0 đến 1[4]
Bộ chuyển đổi Buck là thiết bị chuyển đổi điện áp bước xuống, cung cấp điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào Nó hoạt động tương tự như bộ chuyển đổi boost, sử dụng hai công tắc (một transistor và một diode), cùng với một cuộn dây và một tụ điện.
Để giảm điện áp DC đầu ra một cách đơn giản, bộ điều chỉnh tuyến tính là một lựa chọn, nhưng nó tiêu tốn năng lượng do phát nhiệt trong quá trình hoạt động Ngược lại, bộ chuyển đổi buck có hiệu suất chuyển đổi cao, có thể đạt tới 95% hoặc hơn đối với các mạch tích hợp.
Hình 2 5 Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck
Hình 2 6 Hai ch ế độ c ủ a b ộ chuyển đổi Buck ph ụ thu ộ c tr ạ ng thái khóa S
Nguyên lý bộ chuyển đổi buck như trình bày trên hình 2.6 với 2 qua trình chuyển đổi năng lượng tương ứng với 2 trạng thái đóng và mở của khóa
S Trong bộ biến đổi lý tưởng, tất cả thành phần được tính toán hoàn chỉnh
NGH ỊCH LƯU
Người ta thường phân loại nghịch lưu theo sơ đồ, ví dụ như nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha
Nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều với tần số linh hoạt Điện áp đầu ra của nghịch lưu có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau nhằm giảm thiểu sóng điều hòa bậc cao.
Trước đây, nghịch lưu gặp nhiều hạn chế trong ứng dụng do công suất của các van động lực điều khiển còn thấp Thêm vào đó, việc sử dụng tiristo trong nghịch lưu làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi và làm cho sơ đồ điều khiển trở nên phức tạp.
Hiện nay, công suất của các van động lực như IGBT, GTO và MOSFET ngày càng lớn và kích thước ngày càng gọn nhẹ Điều này đã làm cho nghịch lưu áp trở thành một bộ biến đổi phổ biến và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp Do đó, sơ đồ nghịch lưu áp sử dụng van điều khiển hoàn toàn sẽ được trình bày dưới đây.
Trong nghiên cứu, chúng ta giả định rằng các van động lực hoạt động như những khóa điện tử lý tưởng, với thời gian đóng và mở bằng không, dẫn đến điện trở nguồn cũng bằng không.
Sơ đồ nghịch lưu một pha, như mô tả trong hình 2.11, bao gồm 4 van động lực chính: S1, S2, S3, S4, cùng với các điôt D1, D2, D3, D4 Các điôt này có chức năng trả công suất phản kháng về lưới, giúp ngăn chặn hiện tượng quá áp ở đầu nguồn.
Tụ C được kết nối song song với nguồn điện nhằm đảm bảo nguồn đầu vào có tính hai chiều Điều này khác với nguồn một chiều, thường được cung cấp bởi chỉnh lưu, chỉ cho phép dòng điện chạy theo một chiều duy nhất.
Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp.
Nguyên lý làm việc của hệ thống diễn ra trong nửa chu kỳ đầu tiên (0 + 02), khi cặp van S1 và S2 dẫn điện, cho phép phụ tải kết nối với nguồn điện Trong thời gian này, nguồn điện cung cấp áp suất ổn định, tạo ra điện áp trên tải là Ui = E, với dòng điện chảy theo hướng đã được xác định.
Tại thời điểm 0 = d 2, S1 và S2 bị khóa, trong khi S3 và S4 được mở ra, dẫn đến việc tải được kết nối vào nguồn theo chiều ngược lại Điều này khiến dấu điện áp trên tải đảo chiều, với Ut = -E tại thời điểm 02.
Do tải mang tính trở cảm, dòng điện vẫn giữ nguyên hướng cũ S1 và S2 bị khóa, khiến dòng điện phải khép mạch qua D3 và D4 Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3.
D4 về tụ C (đường nét đứt )
Trong chu kỳ tiếp theo, khi khóa cặp S3, S4 hoạt động, dòng tải sẽ được khép mạch qua các điốt D1 và D2 Đồ thị thể hiện điện áp tải Ut, dòng điện tải it, dòng qua điốt iD và dòng qua tiristo được trình bày trong hình 2.12.
Biểu thức điện áp và dòng điện trên tải :
Hình 2 11 Sơ đồ ngh ịch lưu cầ u m ộ t pha
Hình 2 12 Đồ th ị dòng áp trong m ạ ch ngh ịch lưu cầ u m ộ t pha
Trên thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để giảm bớt được kích thước của bộ lọc
Sơ đồ nghịch lưu ba pha được hình thành từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính, như thể hiện trong hình 2.13 Để dễ dàng trong việc tính toán, chúng ta sẽ đưa ra một số giả thiết.
• Giả thiết các van là lý tưởng, nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều
• Van động lựccơ bản S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 làm việc với độ dẫn điện
• Các điôt D1 D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn và tụ C đảm bảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.
Ta xét cụ thể nguyên lývà luật điều khiển cho các tiristo như sau:
Hình 2 13 Sơ đồ ngh ịch lưu ba pha
Để tạo ra điện áp ba pha đối xứng, các van cần tuân theo luật điều khiển được thể hiện trong đồ thị hình 2.14.
Như vậy Si, S4dẫn điện lệch nhau 180 o và tạo ra pha A S3, S6dẫn điện lệch nhau 180 o để tạo ra pha B S5, S2 dẫn điện lệch nhau 180 o để tạo ra pha
C, và các pha lệch nhau 120 o λ
Hình 2 15 Điệ n áp trên t ả i m ạ ch ngh ịch lưu
Dạng điện áp trên các pha UzA, Uzb, UZC có dạng như trên hình 2.15 có giá trị hiệu dụng được tính bởi công thức sau : pha 2 2 pha ( )
Giá trị tụC được tính theo công thức: t ( ) t c
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PWM
Phương pháp điều chế hai cực (Bipolar Voltage Switching) sử dụng hai cặp van S1/S4 và S2/S3, được điều khiển bởi hai tín hiệu có trạng thái lôgic phủ định nhau Điều này đảm bảo rằng trong mỗi chu kỳ điện áp cần tạo, phụ tải (cuộn sơ cấp của biến thế) luôn nhận điện áp ngược dấu UDC hoặc -UDC, do đó được gọi là hai cực Khi áp dụng kỹ thuật Analog, hai tín hiệu lôgic có thể được tạo ra thông qua việc so sánh tín hiệu điều khiển uc với chuỗi xung răng cưa uA.
Hình 2 16 Phương pháp điề u ch ế hai c ực: Sơ cấ p bi ế n áp luôn nh ậ nU DC ho ặ c - U DC
Sóng cơ bản của điện áp điều chế u Trafo có biên độ nằm trong phạm vị
0+U DC , cho phép tận dụng tốt dải biên độ điện áp do máy phát cung cấp, vốn có giá trị nhỏ khi gió yếu
Phương pháp điều chế đơn cực (Unipolar Voltage Switching) sử dụng hai tín hiệu ngược dấu nhau, u c và -u c, để điều khiển cặp van phía trên, khác với phương pháp hai cực chỉ cần một tín hiệu điều khiển duy nhất u c để điều khiển hai cặp van S1/S4 và S2/S3.
S1/S2 Còn hai van phía dưới được điều khiển hoàn toàn phụ thuộc 2 van đó:
S3 nhận trạng thái lôgic phủ định của S1, trong khi S4 nhận trạng thái lôgic phủ định của S2 Trong nửa chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải (cuộn sơ cấp của biến thế) chỉ nhận điện áp một dấu, gọi là điện áp đơn cực Cụ thể, trong nửa chu kỳ dương, cuộn dây biến áp sẽ nhận điện áp UDC khi S1 dẫn, S2 không dẫn, và S4 dẫn, hoặc nhận giá trị 0 khi S1 và S2 không dẫn.
S2 cùng dẫn → 2 cực cuộn dây sơ cấp biến áp cùng nối với thế năng +)
Hình 2 17 Phương pháp điề u ch ế đơn cự c: Tùy theo n ữ a chu k ỳ Sơ cấ p bi ế n áp ch ỉ nh ậ n 1 trong 2 giá tr ị ± U DC ho ặ c 0
Tương tự kỹ thuật hai cực, sóng cơ bản của điện áp điều chế u cũng
Hai cực của cuộn sơ cấp trong trafo được nối với thế năng dương, với biên độ nằm trong khoảng 0 đến UDC Điều này cho phép tối ưu hóa việc sử dụng dải biên độ điện áp mà máy phát cung cấp, đặc biệt khi gió yếu, khi giá trị điện áp thường thấp.
NGUYÊN LÝ ĐIỀ U CH Ế VECTOR KHÔNG GIAN
Sau đây là sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần sử dụng 6 khóa transitor công suất:
Bộ nghịch lưu áp ba pha hoạt động theo phương pháp điều rộng xung vector không gian, được cấu trúc như một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt khác nhau, từ 0 đến 7.
Hình 2 19 Tr ạ ng thái đóng cắ t các b ộ ngh ịch lưu
B ả ng 2.1: Tóm t ắ t tr ạ ng thái các Vector U 0 -U 7 :
Trạng thái của khóa Điện áp pha Điện áp dây
S1 S3 S5 Uan Ubn Ucn Uab Ubc Uca
Ghi chú: Độ lớn điện áp phải nhân với Udc Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình sau: ua (t) + u b (t) + u c (t) (2.37)
Bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình đều có thể chuyển sang hệ tọa độ 2 chiều vuông góc Trong hệ tọa độ này, phương trình có thể được biểu diễn dưới dạng ba vector: vector [ua 0 0] T trùng với trục x, và vector [0 ub 0] T lệch một góc.
120 o và vector [0 0 u ] T lệch một góc 240 o so với trục x như hình sau đây.
Hình 2 20 Bi ể u di ễ n vector không gian trong h ệ t ọa độ x - y
Từđó ta xây dựng được phương trình của vector không gian trong hệ tọa độ phức như sau: u = 2 ( u a u b 2 u c )
Ta xét trường hợp bộ nghịch lưu ở trạng thái đầu U1:
Xét trên hệ tọa độ α-β: trong đó Us=U1=K*(Ua+Ub+Uc); K=2/3 là hệ số biến hình
Hình 2 21 Vector điệ n áp U 1 trên t ọa độ α -β
+ Tương tự như vậy với các vector U2 U6, ta có giản đồ sau:
Hình 2 22 Vector điệ n áp U 1 U 6 trên gi ản đồ α - β
+ Ngoài ra, chúng ta còn có 2 trường hợp đặc biệt là vector U0 = U7 = 0
Ý tưởng điều chế vector không gian là tạo sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương với vector điện áp bộ nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn Điều này tương tự như việc tạo ra vector không gian cho đại lượng 3 pha hình sin Qua việc dịch chuyển đều đặn trên quỹ đạo tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ, dẫn đến biên độ áp ra trở nên tuyến tính Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.
Hình 2 25 Điệ n áp ba pha ngõ ra trong mi ề n th ời gian tương ứ ng a b c
Hình 1.19 Điện áp 3 pha ngõ ra trong miền thời gian tương ứng
Ngoài việc sử dụng hệ tọa độ αβ, trong luận văn còn sử dụng hệ tọa độ dq Phép biến đổi αβ →dq: d q x 2 cos t sin t x x 3 sin t cos t x α β
T a d o o b q o o c cos t sin t x x 2 cos( t 120 ) sin( t 120 ) x x 3 cos( t 120 ) sin( t 120 ) x ω − ω
Xét góc 1/6 của hình lục giác, được xác định bởi đỉnh của ba vector U1, U2 và U0-7 Trong khoảng thời gian Ts, vector U1 được tác dụng trong thời gian Ta, vector U2 trong thời gian Tb, và vector U0-7 trong khoảng thời gian còn lại là T - Ta - Tb.
Vector tương đương được tính bằng vector trung bình của chuỗi tác động liên tiếp s A 1 A 2 0/7 0/7
Ta có tỉ lệ biên độ được định nghĩa như sau
Trong đó điện áp pha Us điện áp pha ngõ ra của Ua, Ub, Uc
Chiếu phương trình vector Us và dùng công thức Ts, tỉ số m:
Vector trung bình (Us) được điều khiển theo quỹ đạo đường tròn, với chiều quay có thể thuận hoặc nghịch theo chiều kim đồng hồ Đường tròn nội tiếp hình lục giác đại diện cho quỹ đạo của vector không gian lớn nhất mà phương pháp điều chế vector không gian của bộ nghịch lưu áp hai bậc có thể đạt được trong vi điều khiển tuyến tính Bán kính của đường tròn này tương ứng với biên độ thành phần cơ bản điện áp (pha) tải, với Udc p0V.
+Ts là chu kỳđiều rộng xung
+φ là góc lệch giữa U A và U B
2.6 CÁC CẤU TRÚC HỆ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA
2.6.1 Cấu trúc hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha dạng 1
Dựa trên phân tích các bộ biến đổi điện tử công suất trong nhà máy điện mặt trời, kết hợp với cấu trúc của bộ điện tử công suất từ các nghiên cứu trước, luận văn xác định hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha dạng 1 như hình 2.27.
Hình 2 27 C ấ u trúc h ệ chuy ển đổi điệ n m ặ t tr ời thành điệ n xoay chi ề u 3 pha d ạ ng 1
2.6.2 Cấu trúc hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha dạng 2
Phân tích các bộ điện tử công suất và cấu trúc của chúng trong nghiên cứu về điện mặt trời là rất quan trọng Việc hiểu rõ về các thành phần này giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điện mặt trời, từ đó nâng cao khả năng chuyển đổi năng lượng và giảm thiểu tổn thất Các bộ điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong việc quản lý và điều khiển năng lượng, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và bền vững.
[13],[18], luận văn xây dựng hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha dạng 2 như hình 2.28
Hình 2 28 C ấ u trúc h ệ chuy ển đổi điệ n m ặ t tr ời thành điệ n xoay chi ề u 3 pha d ạ ng 2
