TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC)
1.1.1 Chức năng bộ biến đổi DC-DC
Bộ biến đổi 1 chiều (Boost converter) có chức năng điều chỉnh điện áp một chiều đến mức phù hợp với điện áp đầu vào của bộ nghịch lưu, thường là 400V Ngoài ra, bộ Boost converter còn hỗ trợ trong việc điều khiển bám điểm công suất cực đại cho toàn bộ hệ thống.
Các bộ biến đổi DC/DC được phân thành hai loại: có cách ly và không có cách ly Loại có cách ly sử dụng máy biến áp cao tần để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra, đồng thời điều chỉnh áp suất bằng cách thay đổi hệ số biến áp, thường được áp dụng trong các nguồn cấp một chiều cho khoá điện tử và hệ thống lai Ngược lại, loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly và thường được sử dụng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều.
Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:
Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk
Bộ giảm áp buck giúp xác định điểm làm việc với công suất tối ưu khi điện áp vào cao hơn điện áp ra Tuy nhiên, tình huống này thường ít xảy ra khi cường độ bức xạ ánh sáng giảm thấp.
Bộ tăng áp boost hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu, giúp xác định điểm làm việc tối ưu Hệ thống này sử dụng bộ Boost để nâng cao điện áp cung cấp cho tải trước khi chuyển đổi sang bộ biến đổi DC/AC.
1.1.2 Bộ biến đổi DC-DC không cách li a) Mạch Buck
Sơ đồ nguyên lý mạch buck được trình bày trong hình 1.1, trong đó khóa K có thể là BJT, MOSFET hoặc IGBT Mạch Buck có nhiệm vụ giảm điện áp đầu vào xuống mức điện áp thích hợp để nạp ắc quy Các khóa transistor trong mạch này được điều khiển đóng mở với tần số cao, và hệ số làm việc D của khóa được xác định bằng một công thức cụ thể.
𝑇 = 𝑇 𝑜𝑛 𝑓 𝐷𝐶 (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 quá trình mở khóa K, dòng điện một chiều được nạp vào tụ C2 và cung cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Khi khóa K đóng lại, dòng điện không còn đi qua, nhưng tải vẫn nhận đủ năng lượng nhờ vào năng lượng lưu trữ trong cuộn kháng và tụ điện, do diode giữ kín mạch Điều này cho thấy cuộn kháng và tụ điện có vai trò quan trọng trong việc lưu giữ năng lượng tạm thời, đảm bảo mạch hoạt động liên tục ngay cả khi khóa K đóng.
Điện áp ra có thể được điều chỉnh thông qua hệ số làm việc, theo công thức (1.2) Hệ số này được kiểm soát bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton Vì vậy, bộ biến đổi này còn được gọi là bộ điều chế xung PWM.
Bộ Buck là một cấu trúc đơn giản, dễ hiểu và dễ thiết kế, thường được sử dụng để nạp ắc quy Tuy nhiên, nhược điểm của nó là dòng vào không liên tục do khóa điện tử được đặt ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải sử dụng bộ lọc chất lượng tốt để đảm bảo hiệu suất.
Mạch Buck là giải pháp lý tưởng khi điện áp pin vượt quá điện áp ắc quy Việc điều chỉnh dòng công suất được thực hiện thông qua việc thay đổi chu kỳ đóng mở của khóa điện tử.
Bộ Buck hoạt động hiệu quả tại điểm MPP trong nhiều điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ, nhưng sẽ không hoạt động chính xác khi điểm MPP thấp hơn ngưỡng điện áp nạp ắc quy trong điều kiện nhiệt độ cao và bức xạ yếu Để cải thiện hiệu suất, có thể kết hợp bộ Buck với mạch Boost.
Sơ đồ nguyên lý mạch Boost như hình 1.2 [1,2]
Hình 1 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được 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 lượng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua Điốt tới tải
𝑑𝑡 (1.3) Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra
Khi khóa K được mở, cuộn cảm sẽ được kết nối với nguồn điện một chiều Khi khóa K đóng, dòng điện cảm ứng sẽ chạy vào tải thông qua điốt Điện áp ra được tính toán dựa trên hệ số làm việc D của khóa K.
Phương pháp 1−𝐷 (1.4) cho phép điều chỉnh tần số trong chế độ dẫn liên tục, nhằm tối ưu hóa điện áp vào V1 tại điểm công suất cực đại tương ứng với tải Vo Một ứng dụng điển hình của phương pháp này là trong mạch Buck – Boost.
Sơ đồ nguyên lý như hình 1.3 [1,2]
Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost
Mạch Boost có khả năng tăng điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào, do D < 1, trong khi mạch Buck chỉ giảm điện áp đầu vào Khi kết hợp cả hai mạch này, ta có mạch Buck – Boost, cho phép điều chỉnh điện áp cả tăng và giảm.
Khi khóa đóng, điện áp vào tác động lên điện cảm, khiến dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm cố gắng duy trì dòng điện, tạo ra điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận Tùy thuộc vào tỷ lệ thời gian đóng và mở khóa, điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn điện áp vào Tuy nhiên, dấu của điện áp ra luôn ngược với dấu của điện áp vào, dẫn đến việc dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian.
1−𝐷 (1.5) 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 d) Mạch Cuk
Sơ đồ nguyên lý như hình 1.4
Hình 1 4: Sơ đồ biến đổi Cuk
BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU SANG XOAY CHIỀU DC-AC (Inverter)
1.2.1 Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều một pha
Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tuỳ ý
Nguồn áp là một trong những nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế, với khả năng điều chế điện áp ra của nghịch lưu áp qua nhiều phương pháp nhằm giảm sóng điều hoà bậc cao Trước đây, nghịch lưu áp gặp hạn chế do công suất của các van động lực điều khiển còn nhỏ và việc sử dụng tiristo làm giảm hiệu suất cùng với sơ đồ điều khiển phức tạp Tuy nhiên, hiện nay, với sự phát triển của các van động lực như IGBT và GTO có công suất lớn và kích thước gọn nhẹ, nghịch lưu áp đã trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp Sơ đồ nghịch lưu áp dưới đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn.
Trong nghiên cứu, chúng tôi giả định rằng các van động lực hoạt động như các khoá điện tử lý tưởng, với thời gian đóng và mở bằng không, dẫn đến điện trở nguồn bằng không.
Sơ đồ nghịch lưu áp một pha, như được mô tả trong hình 1.10 a, bao gồm bốn van động lực chính là T1, T2, T3, T4, cùng với các điôt D1, D2, D3, D4 Các điôt này có chức năng trả công suất phản kháng của tải về lưới, giúp ngăn ngừa hiện tượng quá áp tại đầu nguồn.
Tụ C được kết nối song song với nguồn để tạo ra nguồn hai chiều, khác với nguồn một chiều chỉ cho phép dòng chảy theo một chiều Tụ C không chỉ tiếp nhận công suất phản kháng của tải mà còn đảm bảo nguồn đầu vào có tính ổn định về điện áp Khi giá trị của tụ C lớn, nội trở của nguồn sẽ giảm, giúp điện áp đầu vào được san phẳng hơn.
Hình 1 10: Nghịch lưu áp cầu một pha và đồ thị
1.2.1.2 Nguyên lý làm việc Ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 2), cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào nguồn Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải Ut = E (hướng dòng điện là đường nét đậm) Tại thời điểm = 2, T1 và T2 bị khoá, đồng thời T3 và T4 mở ra Tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp ra trên tải sẽ đảo chiều và Ut = -E tại thời điểm 2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên theo hướng cũ, T1, T2 đã bị khoá, nên dòng phải khép mạch qua D3, 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)
Khi khóa cặp T3, T4, dòng tải sẽ khép mạch qua D1 và D2 Đồ thị điện áp trên tải Ut, dòng tải it, dòng qua điôt iD và dòng qua các T được thể hiện trong hình 1.10b Để tính toán và chọn van, cần xác định biểu thức dòng điện tải it bằng phương pháp sóng điều hòa cơ bản.
Phân tích dạng điện áp trên tải Ut ra chuỗi, ta có:
Nếu chỉ lấy sóng điều hoà cơ bản thì: t
Dòng trung bình qua van động lực là:
Dòng trung bình qua điôt là:
Trong thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để giảm bớt kích thước của bộ lọc
Sử dụng phương pháp sóng điều hòa cơ bản có thể dẫn đến sai số khoảng 15% Tuy nhiên, khi lựa chọn van, người ta thường tính đến hệ số dự trữ, giúp đảm bảo rằng kết quả tính toán trở nên hợp lý và gọn nhẹ.
Giá trị của tụ C được tính như sau:
là biến thiên điện áp nguồn một chiều được tính theo đơn vị % :
1.2.2 Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều ba pha [4,5,6] Để có điện áp 3 pha ta cần dùng cầu nghịch lưu 3 pha 6 bộ đóng ngắt và 6 diode thu hồi năng lượng như hình 1.11:
Hình 1 11: Sơ đồ mạch nghịch lưu 3 pha
Mỗi bán kỳ có 5 xung, với các xung đối xứng qua đường thẳng T/4 và 3T/4 Khi điều chỉnh tần số điện áp ra, tần số xung sẽ thay đổi nhưng phải tuân theo quy luật là số xung phải lẻ và đối xứng qua trục các điểm giữa bán kỳ.
Hình 1 12: Sơ đồ dẫn của các transistor và điện áp ra trên các pha
Sơ đồ cầu điều chỉnh chế độ rộng xung, như hình 1.12, thể hiện mối quan hệ giữa điện áp ra và chế độ làm việc của các transistor ngắt dẫn trong hệ thống.
Dòng IB1 và IB2 kéo T1 và T2 làm việc điều chỉnh biên độ rộng xung Khi T1 dẫn thì T2 ngắt và ngược lại.
Các phép chuyển đổi
1.3.1 Các hệ trục tọa độ a Hệ trục tọa độ tự nhiên
Hệ trục tọa độ tự nhiên bao gồm ba trục a, b, c được sắp xếp lệch nhau 120 độ Trong hệ trục này, véc tơ V có thể được phân chia thành ba véc tơ va, vb, vc, mỗi véc tơ đại diện cho các đại lượng biến thiên theo thời gian.
Phương trình cân bằng điện áp pha dưới dạng tức thời:
(1.20) Một hệ thống 3 pha đối xứng trong hệ toa độ tự nhiên có thể biểu diễn bởi một véc tơ như sau:
Trong hệ tọa độ tự nhiên, các đại lượng pha kA(t), kB(t), và kC(t) (có thể đại diện cho dòng điện, áp suất, hoặc từ thông) phải thỏa mãn điều kiện tổng bằng 0, tức là kA(t) + kB(t) + kC(t) = 0 Ngoài ra, toán tử quay được biểu diễn dưới dạng a = 1e + j120.
Sử dụng phương pháp véc tơ không gian, phương trình cân bằng điện áp và cân bằng từ thông được viết
Biến đổi các phương trình điện áp và từ thông sang hệ tọa độ quay giúp chuyển các thông số từ rotor sang stator Các hệ phương trình được thiết lập trong hệ quy chiếu K quay với tốc độ góc Ω K.
( 1.23) Phương trình cân bằng moomen:
Me: Mô men điện từ
: Mô men tải b Hệ trục tọa độ cố định αβ
Hệ trục tọa độ cố định αβ bao gồm trục α trùng với trục a của hệ tọa độ cố định, trong khi trục β trực giao với trục α Trong hệ tọa độ này, véc tơ V được phân tích thành hai thành phần trực giao là vα và vβ.
Như vậy véc tơ V từ hệ trục abc chuyển sang hệ trục αβ sẽ giảm từ 3 thành phần xuống còn 2 thành phần c Hệ trục tọa độ quay dq
Hệ trục tọa độ dq bao gồm hai trục d và q, chúng trực giao và quay với tốc độ ω, tương ứng với tốc độ quay của véc tơ V Do đó, các thành phần Vd và Vq là những đại lượng không đổi, nghĩa là véc tơ V không chuyển động trong hệ tọa độ dq.
1.3.2.1 Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha Để tránh điều khiển ba dòng điện/ điện áp một cách riêng biệt, người ta biến đổi hệ thống ba pha Điều này dựa trên thực tế là trong một hệ thống 3 pha đối xứng chỉ có 2 thành phần dòng điện/ điện áp độc lập, thành phần thứ 3 được rút ra từ 2 thành phần kia Các hệ thống này thường được gọi là khung tham chiếu (hay hệ qui
V c chiếu) Trong kỹ thuật đang sử dụng 2 loại khung tham chiếu là khung tham chiếu cố định và khung tham chiếu đồng bộ (quay)
- Hệ qui chiếu cố định (chuyển đổi Clarke)
Hệ thống 3 pha có thể được chuyển đổi sang hệ thống 2 pha, thường gọi là chuyển từ hệ trục abc sang hệ trục αβ (hoặc αβ0 khi sử dụng véc tơ zero) Cả hai hệ thống này đều được xem là cố định vì các trục được khóa tại một vị trí Tuy nhiên, khái niệm hệ qui chiếu cố định thường được dùng để chỉ hệ qui chiếu trong một số ngữ cảnh nhất định.
Việc chuyển đổi giữa các hệ thống điện được thực hiện thông qua công thức chuyển đổi Clarke, trong đó cần sử dụng giá trị pha thay vì giá trị dây cho lượng 3 pha Bằng cách đảo ngược ma trận hệ số, lượng 3 pha có thể được xem như hoạt động trong hệ 2 pha.
Việc chuyển đổi hệ trục tọa độ từ hệ 3 pha sang hệ 2 pha cho phép xác định véc tơ Xabc chỉ với 2 pha trong hệ qui chiếu abc Điều này cho thấy rằng véc tơ Xabc có thể được biểu diễn trên hệ qui chiếu 2 pha αβ mà không mất thông tin Trong đó, ω đại diện cho tốc độ góc của véc tơ, còn θ là góc tức thời (góc pha đầu) của véc tơ.
Nếu X là điện áp lưới thì ω đại diện cho tần số lưới còn θ là góc pha tức thời
Hình 1 13: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ
Hệ thống 3 pha thường được giả định là đối xứng, do đó thành phần thứ tự không thường bị bỏ qua Giá trị tức thời của công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống này được xác định theo các công thức (1.21) và (1.22).
- Hệ qui chiếu đồng bộ (Chuyển đổi Park)
Trong hệ qui chiếu quay dq, hệ trục tọa độ không cố định mà quay theo một véc tơ tùy ý, thường được ứng dụng trong điều khiển động cơ điện Hệ này cho phép khóa các trục với điện áp hoặc dòng điện, thường là điện áp lưới Trong hình 1.14, trục d được khóa với véc tơ Xab, dẫn đến Xd = Xab và Xq = 0 Hệ trục quay với tốc độ góc ω và có góc tức thời θ, được gọi là hệ tham chiếu cố định.
Hình 1 14: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq
Việc chuyển đổi được thực hiện bởi hàm chuyển đổi Park (1.23)
Khi hệ trục dq được khóa với điện áp lưới, các trục sẽ quay với tần số góc 2πfg, dẫn đến các giá trị dq trở thành giá trị một chiều cố định Nếu hệ thống 3 pha được coi là đối xứng và không có thành phần thứ tự không, công suất tác dụng và công suất phản kháng có thể được tính theo các công thức (1.24) và (1.25).
Trong các phương trình điện, cả điện áp và dòng điện được chuyển đổi sang hệ trục dq bằng cách sử dụng cùng một hệ qui chiếu Khi khung tham chiếu định hướng vào véc tơ điện áp, thành phần dòng điện trên trục d đại diện cho dòng điện cùng pha với điện áp, phản ánh công suất tác dụng trong mạch Ngược lại, thành phần dòng điện trên trục q thể hiện công suất phản kháng trong mạch.
1.3.2.2 Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha [7]
Để phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống một pha, cần biểu diễn hệ thống trong hai hệ qui chiếu: cố định αβ và đồng bộ dq, với yêu cầu trạng thái hệ thống có hai thành phần trực giao Do điện áp và dòng điện trong hệ thống một pha chỉ có một thành phần duy nhất, việc áp dụng điều khiển trong hệ qui chiếu đồng bộ đòi hỏi phải tạo ra một thành phần ảo vuông pha tương ứng Các kỹ thuật có thể sử dụng bao gồm dịch góc pha 90 độ, phép biến đổi Hilbert, bộ lọc All-pass và bộ tích phân bậc hai tổng quát (SOGI).
+ Khâu tích phân bậc hai tổng quát
Khâu tích phân bậc hai tổng quát (SOGI) là một kỹ thuật tiên tiến và phổ biến trong việc tạo ra tín hiệu trực giao Cấu trúc cơ bản của SOGI, với k là hệ số giảm xóc và tần số góc cơ bản, được minh họa trong hình 2.35 Một trong những đặc điểm nổi bật của SOGI là khả năng tùy chỉnh hệ số giảm xóc, cho phép tạo ra nhiều loại lọc khác nhau và nâng cao hiệu quả méo dưới điện áp lưới.
Hình 1 15: Cấu trúc của SOGI
Từ hình 1.15, ta thu được đặc tính hàm số truyền của SOGI như sau:
Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation)
PWM được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển, đặc biệt trong việc điều khiển động cơ và các bộ xung áp Công nghệ PWM cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ và duy trì sự ổn định của nó Ngoài ra, PWM còn được sử dụng trong việc điều chế các mạch nguồn như boot, buck, và nghịch lưu 1 pha cũng như 3 pha.
PWM là phương pháp phổ biến trong các mạch điện điều khiển, đặc biệt để điều khiển các phần tử điện tử công suất với đường đặc tính tuyến tính khi sử dụng nguồn một chiều cố định Do đó, PWM được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện và điện tử.
Các bộ điều chế độ rộng xung là các bộ điều khiển điện áp vòng hở, với những phương pháp phổ biến như: Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM), Điều chế véc tơ không gian (SVM) và điều chế độ rộng xung ngẫu nhiên.
1.4.1 Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) Đây là cách phổ biến nhất để điều chế tín hiệu chuyển mạch Phương pháp này có thể chia thành phương pháp điều chế độ rộng xung hình sin và phương pháp điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang với chuỗi tín hiệu zero (ZSS - Zero Sequence Signal) Đối với điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM), tín hiệu tham chiếu hình sin được so sánh với sóng mang tam giác có tần số cao để tạo ra tín hiệu logic điều khiển các chuyển mạch Trong khi đó phương pháp ZSS được dựa trên SPWM với việc bổ sung tín hiệu thứ tự zero của sóng hài tần số bậc 3 Việc đưa thêm sóng hài bậc 3 không làm biến dạng điện áp pha hoặc giá trị trung bình của dòng điện tải Tuy nhiên nó mở rộng vùng hoạt động tuyến tính, làm giảm tần số chuyển mạch trung bình và làm giảm song hài dòng điện Phương pháp ZSS có thể chia thành điều chế liên tục và điều chế gián đoạn, tiêu biểu của phương pháp điều chế liên tục là phương pháp ZSS hình sin, đôi khi sử dụng ZSS tam giác
Nguyên tắc tạo tín hiệu chuyển mạch được minh họa trong hình 1.12, trong đó tín hiệu tam giác được so sánh với điện áp tham chiếu hình sin đại diện cho điện áp pha Khi điện áp hình sin vượt quá sóng mang, chuyển mạch sẽ mở; ngược lại, nếu điện áp hình sin thấp hơn, chuyển mạch sẽ đóng.
Hình 1 16: Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang hình sin
1.4.2 Điều chế véc tơ không gian (SVM) [8]
SVM (Support Vector Machine) là một phương pháp dựa trên việc biểu diễn véc tơ không gian để chuyển đổi điện áp xoay chiều AC Sự khác biệt chính giữa SVM và CB-PWM (Carrier-Based Pulse Width Modulation) nằm ở cách xử lý các tín hiệu ba pha Trong khi CB-PWM hoạt động với các thành phần ba pha tự nhiên, SVM sử dụng véc tơ chuyển đổi nhân tạo Biến tần ba pha hai mức có tám trạng thái chuyển mạch, bao gồm sáu trạng thái chuyển mạch hoạt động, cho phép tối ưu hóa hiệu suất trong ứng dụng.
Có nhiều phương pháp để tạo ra mẫu chuyển mạch bằng không, với sự khác biệt chính nằm ở vị trí véc tơ zero Các trạng thái chuyển mạch khác nhau được thể hiện trong hình 1.17.
Hình 1 17: Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra
Phương pháp SVM 3 pha là phương pháp phổ biến nhất với sự phân bổ đối xứng của các véc tơ zero Phương pháp này tương đương với CB-PWM sử dụng ZSS tam giác, có độ biên độ và hàm lượng sóng hài gần như tương đương với CB-PWM sử dụng ZSS hình sin SVM 3 pha dễ dàng thực hiện trong bộ vi xử lý, do đó trở thành sự lựa chọn tự nhiên cho các ứng dụng này.
Hai kỹ thuật điều chế véc tơ trong SVN bao gồm điều chế véc tơ với VN0 = 0, tương đương với sine PWM, và điều chế véc tơ với điều hòa bậc 3, dễ thực hiện hơn CB-PWM Một phương pháp khác là điều chế véc tơ không gian 2 pha, tương đương với CB-PWM không liên tục với ZSS (DPWM), chỉ có 1 trạng thái zero trong thời gian lấy mẫu, phù hợp cho tỉ lệ điều chế cao Điện áp dây cực đại cho SVPWM và PWM 2 pha cũng được xác định tương tự.
SVM thích nghi (ASVM) là một biến thể của SVM, kết hợp nhiều SVM khác nhau thành một giải pháp chung Phương pháp này cung cấp phạm vi điều khiển đầy đủ, bao gồm quá điều chế và sáu bước hoạt động (hoạt động sóng vuông), giúp tăng hiệu quả của biến tần Tuy nhiên, biến tần chủ yếu hoạt động ở vùng tuyến tính trên của điều chế, do đó phương pháp này chưa được chú trọng Tín hiệu chuyển mạch cho SVM được tạo ra dựa trên cơ sở toán học, cho phép thực hiện dễ dàng trong vi xử lý.
Điều khiển bộ chuyển đổi DC-AC
Có 2 chiến lược điều khiển chính để điều khiển chuyển đổi DC-AC là điều khiển dòng điện (CC - Current Control), điều khiển điện áp (VC - Voltage - Control) Điều khiển dòng điện là chiến lược chung nhất để điều khiển kết nối lưới biến tần nguồn áp( VSI - Voltage Source Inverter) Điều khiển dòng điện có lợi thế là ít nhạy cảm với sự dịch pha điện áp và sự méo điện áp lưới, do đó nó làm giảm sóng hài dòng điện đến mức tối thiểu Trong khi đó điều khiển điện áp có thể dẫn đến quá tải biến tần do góc pha có sai số nhỏ và có thể xuất hiện sóng hài dòng điện lớn nếu điện áp lưới bị méo Khi hệ thống biến tần làm việc độc lập thì điều khiển điện áp sẽ là sự lựa chọn tự nhiên nhưng khi chúng hoạt động ở chế độ kết nối lưới điều khiển dòng điện là giải pháp điều khiển bền vững nhất Trong phần này chỉ đề cập đến điều khiển dòng điện biến tần nguồn áp (CC-VSI) Các sơ đồ điều khiển trình bày trong phần này liên quan đến việc biến đổi hệ thống 3 pha sang các hệ thống 2 pha như đã trình bày trong mục 1.5.1 Điểm chung cho tất cả các chiến lược điều khiển được mô tả trong phần này là tách biệt rõ việc bù sai số dòng điện với phần điều chế điện áp (điều chế PWM) Ý tưởng này cho phép khai thác lợi thế của các bộ điều biến vòng hở tách ra từ vòng lặp bù sai số dòng điện (sẽ được mô tả trong phần sau) Để điều khiển bộ nghịch lưu DC-AC ta có thể sử dụng các qui luật điều khiển khác nhau Ba bộ điều khiển đang được dùng phổ biến hiện nay, đó là điều khiển tỉ lệ tích phân (PI), điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR) và điều khiển phản hồi trạng thái
Bộ điều khiển PI có thể được áp dụng cho cả hệ qui chiếu tĩnh (αβ) và hệ qui chiếu đồng bộ (dq), nhưng khi sử dụng trong hệ qui chiếu dq, nó tạo ra dòng điện một chiều cố định và giảm sai lệch tĩnh của thành phần cơ bản về không Ngược lại, trong hệ trục αβ, bộ điều khiển PI gặp phải sai số theo dõi về biên độ và pha Do đó, việc điều khiển dòng điện trong hệ qui chiếu đồng bộ (hệ qui chiếu quay) bằng bộ điều khiển PI là giải pháp phổ biến cho nghịch lưu nối lưới.
Điều khiển dòng điện trong hệ trục dq mang lại lợi thế trong việc kiểm soát riêng rẽ công suất tác dụng và công suất phản kháng bằng cách sử dụng khung tham chiếu dq trên điện áp lưới Cụ thể, công suất tác dụng được điều khiển qua dòng điện trục d, trong khi công suất phản kháng được điều chỉnh thông qua dòng điện trục q Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm, bao gồm việc yêu cầu nhiều phép biến đổi và phép tách trong chuyển đổi 3 pha, cùng với sự hạn chế trong việc bù các hài thấp để đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng điện năng.
Về hình thức bộ điều khiển PI được định nghĩa:
Để bù sóng hài, ta có thể sử dụng bộ bù sóng hài bằng phương pháp tương tự như đã mô tả trước đó, nhưng cần áp dụng hệ quy chiếu quay với tần số của sóng hài mà chúng ta mong muốn.
1.5.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant)
Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ là một phương pháp điều khiển mới, trong đó PI bù một chiều được chuyển đổi thành bù xoay chiều tương đương Phương pháp này cải thiện đáp ứng tần số trong băng thông quan tâm, đồng thời giảm độ phức tạp tính toán và loại bỏ sự ghép nối chéo PR được định nghĩa như một phần quan trọng trong quá trình này.
(1.36) Kết hợp với bộ điều khiển PR người ta thường thêm vào bộ bù điều hòa (HC
Bù điều hòa là các bộ tích phân tổng quát (GI - Generalized Integrator) được thiết kế với độ khuếch đại khác nhau tại các tần số cộng hưởng, cho phép duy trì hiệu suất tối ưu Ngoài tần số cộng hưởng, các GI gần như không gây suy giảm, điều này giúp bảo toàn đặc tính động của bộ điều khiển PR mà không làm thay đổi động lực của toàn hệ thống Do đó, có thể bổ sung nhiều GI mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động chung của hệ thống.
Sự kết hợp giữa bộ điều khiển PR và bù sóng hài có thể điều chỉnh giúp tối ưu hóa phản ứng với các tần số cơ bản, mang lại kết quả điều chỉnh tốt hơn Điều này cho phép điều chỉnh tần số sóng hài một cách hiệu quả để bù đắp cho các biến động trong hệ thống.
1.5.3.Bộ điều khiển phản hồi trạng thái
Trong các phương pháp điều khiển, việc mô tả quá trình điều khiển dưới dạng hàm số truyền gặp khó khăn trong việc quan sát và điều khiển các hiện tượng nội bộ Do đó, phương pháp không gian trạng thái ngày càng được ưa chuộng, vì nó cung cấp một mô tả đầy đủ và mạnh mẽ cho hệ tuyến tính đa biến, hệ phi tuyến, cũng như hệ có thông số biến đổi theo thời gian Hệ phương trình trạng thái thường được viết theo nhiều cách khác nhau, phổ biến nhất là dưới dạng (1.30).
Trong hệ thống điều khiển, X(t) đại diện cho véc tơ trạng thái, U(t) là véc tơ vào, và Y(t) là véc tơ ra Các ma trận kết nối bao gồm A cho trạng thái, B cho vào, C cho ra, và D cho kết nối vào/ra.
Bộ điều khiển phản hồi trạng thái có khả năng hoạt động hiệu quả trong cả hệ qui chiếu tĩnh và đồng bộ nhờ vào cách mô tả đơn giản và các điều kiện đầu dễ thực hiện Phương pháp này cho phép đặt các điểm cực của hệ thống vòng kín ở vị trí xác định trong mặt phẳng s (hoặc mặt phẳng z cho hệ rời rạc), từ đó điều khiển được đặc tính đáp ứng của hệ thống Hơn nữa, việc bù sóng hài cũng có thể thực hiện được bằng cách tích hợp mô hình của hệ thống tại tần số sóng hài mong muốn.
Vấn đề hòa nguồn điện với lưới
Hòa đồng bộ là điều kiện thiết yếu để nguồn điện, như máy phát hoặc pin mặt trời, có thể hoạt động song song và kết nối vào một mạng lưới điện chung.
Khi các nguồn điện không hoạt động song song với nguồn khác hoặc nhiều nguồn nối chung vào một mạng lưới điện, chúng cần phải đáp ứng một số điều kiện nhất định Một trong những điều kiện quan trọng là các nguồn điện phải hoạt động đồng bộ với nhau để đảm bảo hiệu suất và ổn định của hệ thống.
1.6.1 Các điều kiện hòa đồng bộ Điều kiện về tần số: Hai nguồn phải cùng tần số với nhau, hoặc tần số nguồn điện phải bằng tần số lưới Điều kiện về điện áp: Hai nguồn phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp nguồn phải bằng điện áp lưới Điều kiện về pha: Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nếu số pha lơn hơn 1và góc pha phải trùng nhau
Điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ mâu thuẫn, vì để góc pha của hai phía trùng nhau, cần điều chỉnh tần số, nhưng khi điều chỉnh tần số, chúng không thể bằng nhau Ngược lại, nếu giữ nguyên tần số bằng nhau, việc điều chỉnh góc pha sẽ trở nên khó khăn Do đó, điều kiện thực tế cần xem xét là điều kiện về tần số.
Tần số của hai nguồn cần phải gần bằng nhau, với sai lệch nằm trong khoảng Δf cho phép Giá trị của Δf này phụ thuộc vào việc điều chỉnh bộ điều tốc và các thiết bị như rơ le hòa điện tự động hoặc rơ le chống hòa sai.
Để hòa vào lưới điện, tần số nguồn điện cần điều chỉnh một chút lớn hơn tần số lưới, đảm bảo công suất nhỏ được phát ra ngay khi đóng máy cắt Về điện áp, nguồn điện có thể được điều chỉnh sao cho bằng hoặc cao hơn điện áp lưới một chút, giúp công suất nguồn điện lớn hơn 0 khi kết nối Điều kiện về pha là bắt buộc và phải chính xác, thường chỉ kiểm tra khi lắp đặt hoặc sau khi bảo trì Do tần số không bằng nhau, góc pha sẽ thay đổi theo hiệu của hai tần số, và các rơ le cần dự đoán chính xác thời điểm góc pha bằng không để đóng máy cắt đúng thời gian đồng bộ, thường trong khoảng dưới 100ms đến vài trăm ms.
Điều kiện về điện áp và tần số có thể được kiểm tra bằng các dụng cụ đo trực tiếp như vôn kế và tần số kế Tuy nhiên, các điều kiện về pha, bao gồm thứ tự pha và đồng vị góc pha (góc lệch pha), cần phải được kiểm tra một cách nghiêm ngặt hơn.
1.6.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới Đối với hệ thống phân đoạn, hệ thống lưới mạch vòng, thì đồng vị pha đã được xác định ngay khi thiết kế Tuy nhiên, do những sai lệch về điện áp giáng trên đường dây, trên tổng trở ngắn mạch của máy biến áp, do phối hợp tổng trở các máy biến áp trong mạch vòng không tốt và do sự phân bố tải trước khi đóng nên góc pha giữa hai đầu máy cắt có thể khác không Nhưng thường là ít thay đổi trong thời gian ngắn Trong trường hợp này, đóng máy cắt sẽ không gây ra ảnh hưởng lớn, ngoại trừ một vài điểm nào đó có khả năng quá tải Đối với một số vùng liên kết với hệ thống lưới bằng một đường duy nhất hoặc nhiều đường nhưng do sự cố đã rã toàn bộ, thì khi đóng lại góc pha sẽ không còn bằng không nữa Khi đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục, vì hai tần số lúc ấy không còn bằng nhau Đóng máy cắt lúc đó phải đầy đủ các điều kiện về tần số như hòa đồng bộ máy phát điện, và thường rất khó, khó hơn hòa đồng bộ máy phát Vì muốn thay đổi tần số của một trong hai hệ thì không thể tác động tại chỗ được mà phải liên hệ từ xa Để đảm bảo đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt ấy phải có lắp đặt rơ le hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai Đối với trường hợp thứ nhất, rơ le có thể chỉnh định với khoảng cho phép khá rộng: góc pha có thể sai từ 5 đến 10%, điện áp cho phép sai từ 5 đến 10% Để hòa nguồn điện từ pin mặt trời vào lưới cũng không đơn giản do điện áp và tần số khó thỏa mãn điều kiện hòa Do vậy, ta không nên hòa trực tiếp mà hòa điện thong qua bộ nghịch lưu Các bộ nghịch lưu ngày nay có thể biến điện áp một chiều từ ắc quy thành nguồn có tần số và điện áp bất kì.
Kết luận chương 1
Trong chương 1 tác giả đã giải quyết một số vấn đề xoay quanh hệ thống điện năng lượng mặt trời:
Lý thuyết về bộ biến đổi một chiều- một chiều DC-DC, biến đổi một chiều sang xoay chiều DC-AC, chuyển đổi giữa các hệ qui chiếu;
Vài nét lý thuyết về hòa đồng bộ của hệ thống điện NLMT với lưới.
HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIÓ VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI
Năng lượng gió và năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng và vô tận mà thiên nhiên cung cấp cho hành tinh chúng ta Nó không chỉ là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối và năng lượng từ các dòng sông, mà còn đòi hỏi sự hiểu biết về các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó khi tiếp cận bề mặt trái đất để có thể khai thác và sử dụng hiệu quả.
2.1.1.1 Cấu trúc của mặt trời
Mặt trời là một quả cầu khí nằm cách trái đất khoảng 1,49 triệu km, với đường kính 1,4 triệu km, gấp 1.000 lần đường kính trái đất Thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích trái đất 130.000 lần và khối lượng của nó đạt 1,989 triệu tỷ tấn, lớn hơn khối lượng trái đất 330.000 lần Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4 g/cm³, cao hơn mật độ nước khoảng 50% Tuy nhiên, mật độ ở các lớp khác nhau của mặt trời rất khác nhau; ở phần lõi, mật độ có thể lên tới 160 g/cm³ do áp suất rất cao, trong khi mật độ giảm nhanh chóng khi ra ngoài.
Mặt trời có thể được chia thành hai phần chính: phần phía trong và phần khí quyển bên ngoài Khí quyển bên ngoài bao gồm ba miền: quang cầu, sắc cầu và nhật miện Phần bên trong của mặt trời cũng được chia thành ba lớp: tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời Thông số chi tiết về các lớp của mặt trời được trình bày trong hình 2.1.
Hình 2 1: Cấu trúc mặt trời
Mặt trời, từ góc nhìn trên mặt đất, dường như là một quả cầu lửa ổn định, nhưng thực tế bên trong nó diễn ra những chuyển động mạnh mẽ không ngừng Sự xuất hiện của các đám đen, biến đổi quầng sáng và bùng phát dữ dội xung quanh đám đen là minh chứng cho sự vận động liên tục trong lòng mặt trời Quan sát qua kính thiên văn, ta có thể thấy cấu trúc hạt, vật thể hình kim và hiện tượng phụt khói, phát xung sáng, tất cả đều thay đổi một cách mãnh liệt.
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%
Năng lượng mặt trời phát ra vũ trụ mỗi giây lên tới 3,865 x 10^26 J, tương đương với 1,32 x 10^16 tấn than đá Tuy nhiên, bề mặt trái đất chỉ nhận được một lượng năng lượng rất nhỏ, khoảng 17,57 x 10^16 J, tương đương với 6 x 10^6 tấn than đá.
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được tạo ra từ các phản ứng hạt nhân, theo thuyết tương đối của Einstein, cho thấy rằng khối lượng có thể chuyển đổi thành năng lượng thông qua phản ứng nhiệt hạt nhân Nhiệt độ bề mặt của mặt trời ước tính khoảng
Nhiệt độ bên trong mặt trời có thể đạt hàng triệu độ, trong khi áp suất lên tới 340 triệu MPa Điều kiện cực đoan này khiến vật chất nhanh chóng ion hóa và chuyển động với năng lượng lớn, dẫn đến hàng loạt phản ứng hạt nhân Nguồn năng lượng mặt trời chủ yếu đến từ hai loại phản ứng hạt nhân: phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Carbon và Nitơ, cùng với phản ứng hạt nhân Proton-Proton.
Khối lượng mặt trời khoảng 2 x 10^27 tấn, và để chuyển hóa toàn bộ khối lượng này thành năng lượng, cần khoảng 15 x 10^13 năm Điều này cho thấy nguồn năng lượng từ mặt trời là vô cùng lớn và gần như vô tận.
Năng lượng gió đã được sử dụng hàng trăm năm qua, từ việc di chuyển thuyền buồm đến việc tạo công cơ học qua cối xay gió Ý tưởng sản xuất điện từ năng lượng gió xuất hiện ngay sau khi điện và máy phát điện ra đời Ban đầu, cối xay gió chỉ được cải tiến nhẹ và chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học, nhưng sau đó được trang bị máy phát điện để sản xuất điện Sự phát triển trong lĩnh vực cơ học dòng chảy đã dẫn đến việc thiết kế các tuốc bin gió hiện đại, thay thế cho khái niệm cối xay gió truyền thống Sau các cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970, nghiên cứu và phát triển năng lượng gió đã được đẩy mạnh trên toàn cầu.
2.1.2.1 Sử dụng điện năng từ gió
Gió không thổi đều đặn, do đó để đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục, điện từ các tuốc bin gió cần kết hợp với các nguồn năng lượng khác, chẳng hạn như năng lượng mặt trời Thực tế, gió thường mạnh hơn vào ban đêm so với ban ngày.
Một giải pháp hiệu quả là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước lên các bồn chứa cao Khi không có đủ gió, nước sẽ được sử dụng để vận hành tuốc bin, đảm bảo nguồn năng lượng liên tục.
Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao
Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện
Công nghệ tích trữ năng lượng gió hiện đại sử dụng cánh quạt gió để trực tiếp quay máy nén khí, giúp chuyển đổi động năng gió thành năng lượng lưu trữ trong hệ thống bình khí nén Năng lượng này được quản lý thông qua việc luân phiên phun khí nén vào các turbine, cho phép máy phát điện hoạt động ổn định bất kể điều kiện gió Hệ thống này đảm bảo liên tục cung cấp năng lượng bằng cách nạp khí vào các bình trong khi một bình khác đang xả khí để quay máy phát điện, tạo ra sự linh hoạt và hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng gió.
Khi xem xét tổng chi phí bao gồm cả tác động môi trường, năng lượng gió, cùng với năng lượng thủy điện, được coi là một trong những nguồn năng lượng tiết kiệm nhất.
2.1.2.2 Công suất lắp đặt trên thế giới
Trong số 20 thị trường lớn nhất thế giới, châu Âu chiếm 13 nước, với Đức dẫn đầu về công suất năng lượng gió Đan Mạch và Tây Ban Nha cũng ghi nhận sự phát triển mạnh mẽ nhờ vào quyết tâm chính trị Sự hỗ trợ này đã tạo điều kiện cho một ngành công nghiệp năng lượng gió mới hình thành tại ba quốc gia Công nghệ từ Đức, cùng với các đổi mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha, ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thị trường trong những năm gần đây.
Năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 20073 MW điện, trong đó Mỹ với
5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730 MW ở Ấn Độ và
1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện từ gió lên 94.112
MW Công suất này có thể thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, các vùng.
Khai thác, sử dụng trực tiếp năng lượng gió và mặt trời
Hình 2 3: Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời
Hiện nay, năng lượng mặt trời (NLMT) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, đặc biệt trong việc sấy khô các sản phẩm như ngũ cốc và thực phẩm, giúp giảm tỷ lệ hao hụt và nâng cao chất lượng sản phẩm Bên cạnh đó, NLMT còn được sử dụng để sấy các loại vật liệu khác như gỗ, mang lại hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.
2.2.2 Thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời
Hình 2 4: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
Thiết bị chưng cất nước năng lượng mặt trời (NLMT) có hai loại chính: loại nắp kính phẳng với chi phí khoảng 23 USD/m² và tuổi thọ lên đến 30 năm, và loại nắp plastic có giá rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất thấp hơn Tại Việt Nam, đã có nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước NLMT nhằm sản xuất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch cho sinh hoạt ở các vùng ô nhiễm Thiết bị này có gương phản xạ đạt hiệu suất cao tại Khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
2.2.3 Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời Động cơ Stirling là một động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng piston Nó đã được sáng chế và phát triển bởi Robert Stirling vào năm 1816 Đây là loại động cơ nhiệt có hiệu suất cao, có thể đạt tới 50% đến 80% hiệu suất lý tưởng của chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch (như chu trình Carnot) trong việc chuyển hóa nhiệt năng thành công năng, chỉ bị mất mát do ma sát và giới hạn của vật liệu Động cơ này cũng hoạt động được trên nhiều nguồn nhiệt, từ năng lượng Mặt Trời, phản ứng hóa học đến phản ứng hạt nhân Động cơ Stirling có thể có giá thành cao hơn các động cơ đốt trong cùng công suất, nhưng có những đặc tính thích nghi cho nhiều ứng dụng Nó có hiệu suất cao hơn, không gây nhiều tiếng ồn, hoạt động ổn định và bền, không cần bảo dưỡng nhiều, và có thể hoạt động với chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh trong dải rộng từ cỡ chục độ C đến hàng nghìn độ C
2.2.4 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Hình 2 6: Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Bếp năng lượng Mặt Trời là một thiết bị giữ các tia nắng và dùng năng lượng này để đun nấu các loại thực phẩm hoặc đun nước sôi
Thiết kế bao gồm một thau bằng nhôm được cách ly hiệu quả, đặt trong một hộp gỗ, với một tấm kiếng đậy trên miệng thau và một tấm phản chiếu gắn phía sau.
Các thiết kế sử dụng gương hoặc thấu kính Fresnel để tập trung ánh sáng mặt trời vào điểm nấu ăn có thể được áp dụng Những bếp này có khả năng đạt công suất lên đến vài trăm Watt và nhiệt độ tối đa khoảng 200°C.
2.2.5 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời
Hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (NLMT) là một ứng dụng phổ biến và hiệu quả, được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Tại Việt Nam, các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng đã áp dụng hệ thống này, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể cho người dùng Việc sử dụng NLMT không chỉ góp phần vào chương trình tiết kiệm năng lượng quốc gia mà còn bảo vệ môi trường chung của nhân loại.
Hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và trên thế giới chủ yếu sử dụng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt Với nhiệt độ nước sử dụng 60°C, hiệu suất của bộ thu đạt khoảng 45%, tuy nhiên, hiệu suất sẽ giảm khi nhiệt độ sử dụng cao hơn.
2.2.6 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời
Hình 2 8: Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời
Ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) trong làm lạnh và điều hòa không khí đang trở nên ngày càng quan trọng, đặc biệt ở các khu vực có khí hậu nóng và thiếu lưới điện quốc gia, như nhiều vùng nông thôn ở các nước đang phát triển Máy lạnh sử dụng pin mặt trời (photovoltaic) mang lại sự tiện lợi, nhưng chi phí pin hiện tại vẫn còn cao Bên cạnh đó, hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng cũng đang được phát triển, mặc dù chưa được thương mại hóa rộng rãi do giá thành cao và hiệu suất thu thấp (dưới 45%) Tại Việt Nam, các nhà khoa học đã nghiên cứu cải tiến bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng có gương phản xạ, giúp tạo nhiệt độ cao cho máy lạnh hấp thụ, nhưng yêu cầu về diện tích lắp đặt vẫn là một thách thức lớn.
Cối xay gió là máy sử dụng năng lượng gió để chuyển đổi thành các dạng năng lượng hữu ích Ban đầu, cối xay gió được sử dụng ở châu Âu để xay bột, sau đó phát triển thành công cụ bơm nước và gần đây nhất là để phát điện thông qua tuốc bin gió.
Cối xay gió, được phát minh bởi người Hồi giáo vào năm 634, là một thiết bị dùng để xay bắp và thoát nước Trong mùa khô, nguồn năng lượng duy nhất để vận hành cối xay là gió, thường thổi ổn định theo một hướng trong nhiều tháng Thiết kế của cối xay gió bao gồm từ 6 đến 12 cánh quạt, được phủ bằng vải hoặc cánh cọ.
Nó có trước cối xay đầu tiên ở châu Âu 500 năm.
Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời
2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2 10: Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời
Năng lượng điện từ Pin mặt trời và Máy phát điện gió được nạp vào Accu lưu trữ qua bộ điều khiển sạc lai, cho phép sử dụng năng lượng từ Acqui thông qua bộ biến tần Hệ thống này có ưu điểm là cung cấp nguồn điện ổn định và liên tục nhờ sự bổ sung lẫn nhau giữa năng lượng Gió và Mặt trời, đồng thời độc lập hoàn toàn với lưới điện, mang lại sự linh hoạt trong lắp đặt.
Nhược điểm của hệ thống là do kết hợp cả gió và mặt trời nên giá thành tương đối cao
Hệ thống này cung cấp nguồn điện độc lập cho các tòa nhà, trạm phát sóng vô tuyến, hoặc khu vực chưa có điện lưới, đảm bảo nguồn điện ổn định và liên tục cho các nhu cầu sử dụng.
Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa nhiều điôt p-n, có khả năng tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời thông qua hiệu ứng quang điện Các tế bào quang điện được kết nối thành các modul hoặc mảng năng lượng mặt trời, với số lượng tế bào tùy thuộc vào công suất và điện áp yêu cầu.
Hiệu suất pin mặt trời được xác định là tỷ lệ giữa năng lượng điện mà pin mặt trời sản sinh và năng lượng từ ánh sáng mặt trời trên mỗi mét vuông Hiệu suất này có thể dao động từ 6% đến 30%, tùy thuộc vào loại vật liệu và hình dạng của tấm pin.
Pin mặt trời hiện nay chủ yếu được sản xuất từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si), trong đó Si loại n được pha tạp với Photpho (P) và Si loại p với Bo Khi được chiếu sáng, pin mặt trời Silicon tạo ra hiệu điện thế hở mạch khoảng 0,55V và dòng ngắn mạch từ 25 đến 30 mA/cm³ dưới bức xạ 1000W/m² Ngoài ra, pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) cũng đang được sử dụng, với ưu điểm tiết kiệm vật liệu và chi phí sản xuất thấp hơn, nhưng hiệu suất quang điện thấp và kém ổn định hơn so với pin tinh thể Năng lượng mặt trời từ các tế bào quang điện (PV) là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, không cần chi phí nhiên liệu, bảo trì ít và không gây tiếng ồn Tuy nhiên, để triển khai rộng rãi, cần giải quyết các vấn đề như giảm chi phí lắp đặt, tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và tương tác với các hệ thống khác.
2.3.2.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời
Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ, với mạch điện tương đương bao gồm dòng quang điện, điôt, điện trở song song (dòng điện dò) và điện trở nối tiếp, như thể hiện trong hình 2.12.
Trong công thức Rp (2.1), Igc biểu thị dòng quang điện (A), trong khi I0 là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ của tế bào quang điện Điện tích của điện tử được ký hiệu là q, với giá trị q = 1,6 x 10^-19 C Hằng số Boltzman được ký hiệu là k, với k = 1,38 x 10^-23 J/K Hệ số F phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ, công nghệ Si-mono có F = 1,2, trong khi công nghệ Si-Poly có F = 1,3 Tc đại diện cho nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0 K), Vd là điện áp trên điôt (V), và Rp là điện trở song song.
Hình 2 11: Mạch tương đương của modul PV
Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức (2.2)
Công thức Igc = [ àsc ( Tc – Tref ) + Isc ] G mô tả mối quan hệ giữa dòng điện ngắn mạch và các yếu tố nhiệt độ cũng như bức xạ mặt trời Trong đó, àsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/°C), Tref là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0 K), Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0 K), Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 25°C và bức xạ mặt trời 1 kW/m²), và G là bức xạ mặt trời (kW/m²).
Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu thức 2.3.[8]
Mô hình mô phỏng modul PV trên Matlab được xây dựng dựa trên các thông số như I0α (dòng điện bão hòa tại bức xạ mặt trời và nhiệt độ tham chiếu), Vg (năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn) và V0c (điện áp hở mạch của tế bào) Các đầu vào của mô hình bao gồm bức xạ mặt trời và nhiệt độ của tế bào quang điện, trong khi đầu ra là điện áp và dòng điện PV Thông số của mô hình thường được lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp.
Đặc tính làm việc của pin mặt trời được thể hiện qua mối quan hệ giữa dòng điện I(U) và điện áp P(U), với hai thông số quan trọng là điện áp hở mạch UOC (khi dòng điện ra bằng 0) và dòng điện ngắn mạch ISC (khi điện áp ra bằng 0).
Công suất của pin được tính theo công thức:
P = U I (2.5) Tiến hành mô phỏng ta thu được họ đặc tính I(U) và đặc tính P(U) của pin mặt trời như hình 2.14 a,b,c,d
Hình 2 13: a, b, c, d : Họ đặc tính của PV
Hình 2.14a, b minh họa đặc tính P(U) và I(U) của pin mặt trời (PV) tại các mức bức xạ khác nhau, trong khi hình 2.14c, d thể hiện đặc tính P(U) và I(U) của PV ở các nhiệt độ khác nhau Qua đó, có thể rút ra những nhận xét quan trọng về sự ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ đến hiệu suất hoạt động của pin mặt trời.
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi theo nhiệt độ
- Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời
- Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm
PV Mỗi đường đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi là điểm công suất cực đại (MPP - Max Power Point)
2.3.3 Tuabin gió và máy phát điện [12,13,14,15,16,17,18]
2.3.3.1 Cấu trúc chung của tuabin gió
Tuabin gió nhỏ được chia thành hai loại chính: trục đứng (VAWTs) và trục ngang (HAWTs) Trong đó, tuabin gió trục ngang, thường có 2 hoặc 3 cánh quạt, là loại phổ biến nhất Các tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động hiệu quả khi cánh quạt được định hướng theo chiều gió Hiện nay, tuabin gió 3 cánh quạt đang được sử dụng rộng rãi với công suất dao động từ 200W đến 50KW.
Hình 2.15 trình bày cấu tạo phong điện tuabin gió trục ngang Bao gồm các phần chính sau:
- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển
- Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay
- Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ
- Controller: Bộ điều khiển Điều khiển máy phát (chủ yếu điều khiển dòng điện roto của máy phát)
Hộp số là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền động của máy phát điện, giúp nối bánh răng với trục có tốc độ thấp và trục có tốc độ cao Nó có khả năng tăng tốc độ quay từ 30-60 vòng/phút lên 1200-1500 vòng/phút, đáp ứng yêu cầu vận hành của hầu hết các máy phát điện Tuy nhiên, bộ bánh răng này rất đắt tiền và là một phần thiết yếu của động cơ và tuabin gió.
- Generator: Máy phát (Phát ra điện)
- High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp
Hình 2 14: Cấu tạo tuabin gió truc ngang
The nacelle is a crucial component of a wind turbine, encompassing the rotor and an outer casing that sits atop the tower It contains essential parts such as the gearbox, low and high-speed shafts, generator, controller, and brake The outer casing serves to protect the internal components, and some nacelles are designed spaciously enough to allow a technician to stand inside while performing maintenance tasks.
- Pitch: Bước răng Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục
Trụ đỡ Nacelle, được chế tạo từ thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép, đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập năng lượng gió Khi chiều cao của trụ tăng lên, tốc độ gió cũng gia tăng, giúp tối ưu hóa khả năng phát điện Do đó, việc xây dựng trụ đỡ cao hơn là một giải pháp hiệu quả để gia tăng sản lượng điện từ năng lượng gió.
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hướng tuabin gió
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió
Hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời làm việc độc lập
Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập sử dụng năng lượng từ mặt trời để sản xuất điện, cung cấp năng lượng cho các thiết bị sinh hoạt mà không cần kết nối với lưới điện.
Hình 2 19: Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập
2.4.2 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng
Một hệ thống điện năng lượng mặt trời theo mô hình độc lập bao gồm:
- Các tấm pin mặt trời(Solar Panels PV)
- Hệ thống lưu trữ( Ắc quy)
- Bộ chuyển đổi điện áp DC-AC (inverter)
Các tấm pin mặt trời hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển đổi thành dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được nạp vào hệ thống lưu trữ (ắc quy) qua bộ điều khiển sạc Cuối cùng, thông qua bộ chuyển đổi DC-AC (inverter), dòng điện một chiều được chuyển đổi thành dòng xoay chiều để cung cấp cho các thiết bị điện dân dụng hàng ngày.
Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập đang được triển khai phổ biến tại nhiều quốc gia, đặc biệt là ở các khu vực không có điện lưới, những hải đảo xa xôi, và những vùng có nguồn điện không ổn định.
Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập có nhược điểm là công suất thường nhỏ và yêu cầu sử dụng ắc quy Ắc quy có tuổi thọ ngắn và cần bảo dưỡng định kỳ hàng năm, dẫn đến chi phí bảo trì và lắp đặt cao hơn so với hệ thống điện mặt trời nối lưới.
HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
2.5.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời, hay còn gọi là hệ thống lai điện gió và điện mặt trời, cho phép kết hợp năng lượng từ cả hai nguồn này thông qua một bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm chuyển đổi thành điện xoay chiều 1 pha.
Hệ thống 3 pha với tần số 50Hz (hoặc 60Hz) cung cấp nguồn điện trực tiếp cho tải hoặc kết nối với lưới điện quốc gia và khu vực Sự linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng của hệ thống này khiến nó trở thành một phần quan trọng trong lưới điện thông minh.
Hình 2 20: Hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời nối lưới
2.5.3 Các nhiệm vụ điều khiển trong hệ thống Đối với điện mặt trời có các khối:
Khối Modul quang điện (PV) chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều, với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ hoạt động của pin.
Khối dò điểm công suất tối đa sử dụng giải thuật tìm điểm công suất cực đại cho modul PV, dựa trên giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ.
Khối biến đổi một chiều (DC/DC) có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều từ điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều ổn định, phù hợp để kết nối với hệ thống điện gió qua thanh cái một chiều (DC bus) Trong hệ thống điện gió, các khối này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
- Tuabin gió biến đổi năng lượng gió thành cơ năng làm quay máy phát điện
Máy phát điện cảm ứng thường là loại máy phát điện cảm ứng 3 pha với roto lồng sóc, cung cấp điện áp xoay chiều tần số 50Hz Đối với các hệ thống có công suất nhỏ, máy phát điện một chiều cũng thường được sử dụng.
Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều (AC/DC) có chức năng chỉnh lưu và biến đổi điện áp đầu ra của máy phát điện thành điện áp một chiều ổn định, phù hợp để kết nối với hệ thống điện mặt trời qua DC bus.
Trong "Hệ thống tích hợp", năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau được chuyển đổi thành điện năng một chiều, sau đó sử dụng trực tiếp cho tải một chiều hoặc được biến đổi qua bộ chuyển đổi DC/AC thành điện năng xoay chiều, phục vụ cho tải xoay chiều hoặc kết nối với lưới điện.
Hình 2 21: Sơ đồ khối hệ thống tích hợp năng lượng gió và mặt trời
Kết luận chương 2
Chương 2 mô tả cấu trúc hệ thống lai điện gió và điện mặt trời nối lưới; chức năng của các khối cơ bản; xây dựng mô hình toán PV và tuabin gió; Các ứng dụng khai thác và sử dụng trực tiếp năng lượng gió và mặt trời.
