Khảo sát hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG

Nguồn năng lượng Mặt Trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo phong phú mà con người đã khai thác từ lâu Trái đất nhận khoảng 174 petawatts (1PW = 10^15 W) bức xạ từ Mặt Trời, trong đó khoảng 30% được phản xạ trở lại không gian, còn lại được hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và đất.

Hình 1.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ Mặt Trời qua lớp khí quyển của Trái Đất

Sự cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và các vấn đề môi trường hiện nay đang thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời.

Việt Nam, nằm trong khu vực có bức xạ mặt trời cao nhất thế giới, sở hữu bờ biển dài và hàng nghìn đảo, trong đó nhiều nơi chưa có điện lưới Do đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời trở thành giải pháp lý tưởng để cung cấp điện cho các khu vực này.

Việc thay thế các dạng năng lượng truyền thống bằng những nguồn năng lượng mới không chỉ đáp ứng nhu cầu của các khu vực dân cư mà còn mang lại lợi ích kinh tế và tăng cường an ninh quốc phòng.

Hệ thống điện mặt trời là hệ thống chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng: có

- Trực tiếp: chuyển quang năng thành điện năng bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời (pin quang điện)

Hình 1.2: Hệ thống pin mặt trời

Hệ thống Năng lượng Mặt trời Tập trung (CSP) sử dụng gương phản chiếu để tập trung ánh sáng mặt trời, chuyển đổi thành nhiệt năng Nhiệt năng này được thu thập và truyền tải qua các hệ thống theo dõi, sau đó chuyển đổi thành điện năng thông qua các tuabin hơi, tương tự như quy trình trong các nhà máy nhiệt điện truyền thống.

Hình 1.3: Hệ thống CSP (Concentrating Solar Power)

Hệ thống pin mặt trời

Khoảng 10 năm trở lại đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ công nghệ vật liệu, pin mặt trời ngày càng được cải thiện về mặt hiệu suất và giảm bớt giá thành Điều này làm cho điện mặt trời trở thành giải pháp năng lượng khả thi và thu hút hơn

Từ năm 1992 đến 2012, sự phát triển của pin mặt trời đã chứng kiến sự gia tăng mạnh mẽ về công suất lắp đặt, với 36GWp vào năm 2010, 64GWp vào năm 2011 và 95GWp vào năm 2012.

Hình 1.4: Phân bố công suất pin mặt trời theo vùng từ năm 1992 đến năm 2012 theo báo cáo của IEA-PVPS [4]

Chi phí lắp đặt hệ thống pin mặt trời hiện vẫn cao hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống do giá sản xuất pin còn đắt Tuy nhiên, với những ưu điểm nổi bật như nguồn năng lượng mặt trời vô tận, dễ dàng khai thác ở khắp nơi, không có bộ phận chuyển động, và tuổi thọ cao với ít yêu cầu bảo trì, ứng dụng pin mặt trời ngày càng trở nên hấp dẫn hơn.

Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới

Hiện nay, hầu hết công suất lắp đặt của pin mặt trời được kết nối với hệ thống lưới điện, cung cấp nguồn năng lượng sạch cho tương lai, bên cạnh các ứng dụng trong vũ trụ và dân dụng.

Hình 1.5: Công suất pin mặt trời kết nối lưới từ năm 1992 đến năm 2011 theo báo cáo của IEA-PVPS [4]

Mặc dù hiện tại, việc kết nối pin mặt trời với hệ thống lưới điện ở nước ta chưa được phép, nhưng đây là xu hướng tất yếu cho sự phát triển năng lượng sạch trong tương lai, điều mà nhiều quốc gia phát triển đã thực hiện.

Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới thường được xét một số đặc điểm như:

- Kích thước và khối lượng

1.3.1 Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới trực tiếp:

Hệ thống pin mặt trời được phân loại thành kết lưới trực tiếp hoặc cách ly về điện, tùy thuộc vào mức độ cách ly điện giữa các tấm pin và lưới điện Sự cách ly này được tạo ra bởi máy biến áp, nhưng việc sử dụng máy biến áp cũng gây tổn hao lớn đến hiệu suất chuyển đổi DC/AC của hệ thống.

Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới có thể sử dụng máy biến áp tần số thấp (LF transformer) hoặc máy biến áp tần số cao (HF transformer) để cách ly điện.

Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp có hai loại: không có bộ boost và có bộ boost điện áp Một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống này là gia tăng hiệu suất toàn bộ hệ thống lên khoảng 2%, nhờ vào việc loại bỏ tổn thất năng lượng do máy biến áp.

Hệ thống kết lưới trực tiếp có nhược điểm là thiếu máy biến áp cách ly, dẫn đến dòng điện DC có thể xâm nhập vào lưới AC qua bộ inverter Hiện tượng này có thể gây bão hòa từ lõi của các phần tử trong máy biến áp phân phối, làm tăng nguy cơ quá nhiệt và ảnh hưởng đến độ chính xác của tín hiệu bảo vệ.

Hình 1.7: So sánh các bộ biến đổi công suất

Hình 1.7 cho thấy thống kê từ hơn 400 bộ biến đổi công suất trên thị trường, cho thấy rằng hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp có kích thước và khối lượng nhỏ hơn, đồng thời hiệu suất cao hơn so với các hệ thống cách ly điện.

BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG

Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp [2]

Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) và quy tắc kích đóng đối nghịch

2.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM):

Phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:

Sóng mang (carrirer signal) u p tần số cao;

Sóng điều khiển (reference signal) u r dạng sin

Hình 2.1: Phương pháp Sin PWM

Tần số sóng mang cao giúp giảm lượng sóng hài bậc cao, nhưng cũng gây ra tổn hao do tăng tần suất đóng ngắt khóa Thêm vào đó, các linh kiện cần thời gian đóng cắt nhất định, điều này hạn chế khả năng lựa chọn tần số sóng mang.

Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn và tần số của hài cơ bản ngõ ra, trong đó: mf - tỉ số điều chế tần số: reference carrier f f m = f

(2.1) m a - tỉ số điều chế biên độ: carrier m reference m a U

Nếu ma ≤ 1, tức là biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang, thì mối quan hệ giữa thành phần hài cơ bản của áp ra và áp điều khiển sẽ là tuyến tính Đối với bộ nghịch lưu áp một pha, biên độ áp pha hài cơ bản sẽ được xác định theo quy luật này.

Ut ( 1 ) m= a (2.3) Đối với bộ nghịch lưu áp 3 pha, biên độ áp pha hài cơ bản:

Phương pháp Sin PWM tạo ra điện áp gần giống dạng sóng sin, tuy nhiên chỉ đảm bảo phạm vi điều khiển tuyến tính cho thành phần điện áp cơ bản của tải ba pha đến biên độ Vd/2.

2.1.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM):

Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) khắc phục nhược điểm của phương pháp Sin PWM bằng cách tạo ra chuyển động liên tục trên quỹ đạo đường tròn của vector điện áp yêu cầu Vector tương đương ở đây là vector điện áp trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu (Ts).

Hình 2.2: Phương pháp SV PWM

Phương pháp điều chế sử dụng vector V ref r có độ lớn tương ứng với biên độ điện áp pha của sóng điều chế, với góc lệch α dao động từ 0 đến 2π trong một chu kỳ điện áp điều chế (f = 50Hz) Trong đó, góc phần sáu đầu tiên của hình lục giác được tạo thành bởi ba vector V0, V1, V2 được xem xét trong thời gian chu kỳ lấy mẫu.

To create the reference vector V_ref, we generate vector V1 over time period T1, vector V2 over time period T2, and vector V0 over the remaining time (Ts – T1 – T2).

Khi đó, ở mỗi chu kỳ lấy mẫu ta có thể tính τ 0 , τ 1 , τ 2 như sau:

Tương tự, ở các góc phần sáu còn lại vector được điều chế từ vector không và hai vector của góc phần sáu tương ứng.

Tổn hao trên linh kiện

Hiệu suất của cấu hình nghịch lưu là yếu tố quan trọng, và việc mô phỏng đánh giá hiệu suất giúp chúng ta có cái nhìn tổng quát về cấu hình đó Điều này cho phép so sánh các cấu hình nghịch lưu trong những điều kiện hoạt động khác nhau mà không cần thực hiện mạch thực tế.

Tính toán tổn hao trên linh kiện bán dẫn là yếu tố quan trọng giúp lựa chọn linh kiện cho mạch công suất một cách dễ dàng Điều này cho phép dự đoán nhiệt độ tiếp xúc tối đa của linh kiện và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạch công suất.

2.2.1 Tổn hao công suất trên IGBT và Diode [7] [8] [9] [10]:

Khi linh kiện bán dẫn hoạt động, có bốn loại tổn hao chính xảy ra: tổn hao dẫn, tổn hao trạng thái tắt, tổn hao đóng cắt và tổn hao trong quá trình hoạt động Trong số đó, tổn hao trạng thái tắt và tổn hao trong quá trình hoạt động thường rất nhỏ so với tổn hao dẫn và tổn hao đóng cắt, nên có thể được bỏ qua.

Tổn hao đóng cắt (switching losses) phụ thuộc vào năng lượng đóng cắt( EON và E OFF ) và tần số đóng cắt (f sw )

Tổn hao dẫn phụ thuộc vào điện áp ngưỡng (UCE0) và điện trở (rC) của linh kiện và giá trị dòng điện qua linh kiện bán dẫn

Các thông số được cung cấp bởi nhà sản xuất trên datasheet của linh kiện rất quan trọng Tùy thuộc vào điều kiện hoạt động và chế độ làm việc, chúng ta cần lựa chọn linh kiện phù hợp để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Từ datasheet của IGBT ta có thể xác định được các giá trị U CE0 và r C :

- Cách xác định các giá trị uCE0 và rC, uD và rD dựa vào đặc tuyến IC và V CE của IGBT như sau:

Để xác định giá trị UCE0 và RC, cần dựa vào đặc tuyến VCE và IC, như được trình bày trong datasheet của nhà sản xuất Việc xác định chính xác UCE0 và RC yêu cầu phải biết dòng điện qua linh kiện, điện áp hoạt động và nhiệt độ của linh kiện trong suốt quá trình vận hành Điều này giúp chọn đường cong phù hợp với điều kiện thực tế, từ đó giảm thiểu sai số so với thực nghiệm.

Tương tự ta dựa vào đặc tuyến V F và I F của Diode để xác định U D và r D:

Hình 2.4 Cách xác định giá trị UD, RD dựa vào đặc tuyến VF và IF

U D0 : (on-state voltage) điện áp dẫn Diode

RD: (on-state resistance) điện trở trạng thái dẫn diode

2.2.1.1 Tổn hao dẫn ( conduction losses):

Tổn hao dẫn là tổn hao xảy ra khi linh kiện công suất, như IGBT, ở trạng thái dẫn và đang truyền dòng điện Công suất tiêu thụ trên IGBT được tính toán dựa trên mức độ dẫn dòng của nó.

Với ic: dòng điện tải và von là điện áp trạng thái bão hoà Điện áp von được tính xấp xỉ như sau:

VCEO:điện áp dẫn trạng thái tĩnh

RC: điện trở dẫn của linh kiện công suất

Phương trình giá trị tức thời u CE0 và u D theo dòng tức thời i C (qua IGBT) và i D (qua Diode): uCE(iC) = uCEO + rC iC (2.10) u D (i D ) = u DO + r D i D (2.11)

Công suất tổn hao tức thời tại một thời điểm trên IGBT:

Công suất trung bình tính trong một chu kỳ:

(2.13) Với Icav : dòng điên trung bình qua IGBT trong lúc dẫn

I crms : trị hiệu dụng dòng qua IGBT trong lúc dẫn

Công suất tổn hao tức thời của Diode:

Công suất trung bình trong một chu kỳ dóng cắt:

(2.15) Với IDav : dòng trung bình qua Diode trong lúc dẫn

Để tính toán tổn hao năng lượng qua diode trong quá trình dẫn, ta áp dụng công thức với Tsw là thời gian hoạt động của diode.

2.2.1.2 Tổn hao quá trình đóng cắt (hard-switching losses )

Tổn thất trong quá trình đóng cắt, hay còn gọi là tổn thất hard-switching, bao gồm hai thành phần chính: tổn hao trong quá trình mở (turn-on energy) và tổn hao trong quá trình tắt (turn-off energy) Tương tự như tổn hao dẫn, tổn thất trong quá trình đóng cắt được đặc trưng bởi đặc tuyến.

14 thông tin trên datasheet [9].Switching losses trình bài trong datasheet được tính toán dựa vào test current mô phỏng một tải quy nạp

Tổn hao công suất trong quá trình chuyển mạch phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó các tính toán cần được thực hiện dựa trên điều kiện nhiệt độ xấu nhất Cụ thể, năng lượng tổn hao trong quá trình bật (turn-on energy) của linh kiện là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

EON:được tính trong khoảng thời gian từ 10% của dòng điện test (I C ) tăng đến 90% điện áp test (VCE) giảm

Hình 2.5 Giản đổ năng lượng quá trình mở của IGBT b) (Turn-off energy) năng lượng tổn hao quá trình OFF của linh kiện:

EOFF: đây là năng lượng được xác định trong một chu kì bắt đầu từ 10% điện áp test tăng (VCE) đến 90% dòng điện test (IC)

Hình 2.6 Giản đồ năng lượng quá trính ngắt của IGBT

Tương tự như tổn thất dẫn điện, tổn thất chuyển mạch có thể được tính toán thông qua một thuật toán tương đối đơn giản Đối với IGBT, năng lượng tiêu thụ trong quá trình đóng và cắt là yếu tố chính cần xem xét.

ESW= EON+EOFF = + (2.16) Đối với Diode: Cường độ dòng điện hồi phục ngược[1]:

Hình 2.7 Giản đồ năng lượng hồi phục ngược của Diode

Hình 2.8 Điện lượng Qrr của Diode

I RM : dòng điện ngược cực đại của Diode

Q rr : stored charge là điện lượng trong quà trình ON của Diode

Diode giải phóng năng lượng khi turn-off,quá trình này trong thời gian rất ngắn t rr

+ Diode schottky điện áp thấp Vf< 1V thì t rr < 10ns

+Diode điện áp trung bình: Vf = 1V thì t rr < 40ns

+ Fast Diode thì: Vf = 1.3V thì trr < 140ns

E onT : turn-on energy losses

E onMi : switch-on energy without taking the reverse recovery process into account

EonMrr :witch-on energy caused by the reverse recovery of the free-wheeling diode

I Drrpeak : the peak reverse recovery current

Ta tính được năng lượng trong quá trình ON của Diode :

Turn-on energy của diode chủ yếu là năng lượng reverse-recovery

U Drr : điện áp trên diode trong thời gian hồi reverse recovery, có giá trị xấp xỉ U DD ( supply voltage) [1]

E offT trên diode rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua (E offT =0)

Ta có tổn hao đóng cắt trên IGBT:

Và tổn hao đóng cắt trên diode:

2.2.2 Mô hình tính tổn hao công suất trên linh kiện:

Từ các công thức xác định tổn hao ở phần 2.2.1 ta thực hiện mô hình Simulink tính toán tổn hao cho IGBT và diode mắc đối song như sau:

Từ công thức tính tổn hao dẫn của IGBT 2.13 và các thông số xác định được từ [9] ta thực hiện sơ đồ tính tổn hao dẫn cho IGBT:

Hình 2.9 Mô hình tính toán tổn hao dẫn IGBT

Dựa vào công thức tính tổn hao dẫn của diode 2.15 và các thông số được xác định từ tài liệu [9], chúng ta tiến hành xây dựng sơ đồ tính tổn hao dẫn cho diode đối song.

Hình 2.10 Mô hình tính toán tổn hao dẫn diode

Dựa vào công thức tính tổn hao đóng cắt của IGBT 2.20 và các thông số được xác định từ tài liệu [9], chúng ta tiến hành xây dựng sơ đồ để tính toán tổn hao đóng cắt cho IGBT.

Hình 2.11 Mô hình tính toán tổn hao đóng cắt IGBT

Dựa vào công thức tính tổn hao đóng cắt của diode 2.21 và các thông số được xác định từ tài liệu [9], chúng tôi thực hiện sơ đồ tính toán tổn hao đóng cắt cho diode.

Hình 2.12 Mô hình tính toán tổn hao đóng cắt diode.

BỘ NGHỊCH LƯU HERIC 3 PHA

Giới thiệu

The HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) inverter structure, introduced in 2011 by Heribert Schmidt, enhances DC/AC conversion efficiency Currently, the three-phase HERIC inverter control method is produced under the trademark of Sunways Solar AG, based in Konstanz, Germany.

Chương 3 thực hiện kiểm chứng bằng cách khảo sát và mô phỏng các bộ nghịch lưu: bộ nghịch lưu cầu một pha, bộ nghịch lưu HERIC một pha, bộ nghịch lưu cầu ba pha bằng chương trình mô phỏng Simulink của Matlab Từ đó, đề xuất giải thuật điều khiển

Bộ nghịch lưu một pha

3.2.1 Bộ nghịch lưu cầu H một pha:

Bộ nghịch lưu cầu một pha gồm 4 khóa S1, S2, S3, S4 và 4 diode mắc đối song

Bộ nghịch lưu được điều khiển theo nguyên tắc sinPWM đã trình bày ở phần 2.2.1, chương 2

Hình 3.1 Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector điện áp dương khi khóa

S1 và khóa S4 dẫn ở nữa bán kỳ dương điện áp

Hình 3.2 Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector không, S1 và S3 dẫn ở nữa bán kỳ dương điện áp

Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu một pha:

Hình 3.3 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu một pha

Hình 3.4 Mô hình Thông số mô phỏng: fsw = 9kHz

Hình 3. n khóa S1, S2, S3, S4 được điều khiển theo phương pháp sinPWM:

Hình 3.4 Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu cầu một pha ỏng:

Hình 3.5 Điện áp đầu ra bộ inverter

Hình 3.6 Điện áp và dòng điện tải

Hình 3.7 Phân tích FFT điện áp tải Điện áp điều chế được có dạn sin biên độ 311,6 (V), độ méo dạng THD = 0,66%

Hình 3.8 Điện áp common-mod

Điện áp common-mode của bộ nghịch lưu cầu một pha thay đổi đáng kể ở tần số cao, dẫn đến dòng rò lớn Do đó, bộ nghịch lưu cầu một pha không phù hợp cho mô hình kết lưới trực tiếp.

Tổn hao trên linh kiện được tính theo mô hình ở phần 2.2.2, chương 2:

Bảng 3.1 Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu cầu một pha

3.2.2 Bộ nghịch lưu HERIC một pha:

Bộ nghịch lưu HERIC một pha được cải tiến từ bộ nghịch lưu cầu H một pha, với việc bổ sung hai khóa S5 và S6 Hai khóa này có chức năng ngắt kết nối giữa pin mặt trời và lưới điện, đảm bảo an toàn bằng cách thực hiện ngắn mạch đầu ra của bộ nghịch lưu ở trạng thái vector không.

Hình 3.9 Cấu trúc HERIC: vector điện áp dương khi khóa S1 và khóa S4 dẫn ở nữa bán kỳ dương điện áp

Hình 3.10 Cấu trúc HERIC: vector không, S6 dẫn ở nữa bán kỳ âm của điện áp

Các khóa S1, S2, S3, S4 hoạt động tương tự như bộ nghịch lưu cầu một pha Trong nửa chu kỳ dương của điện áp, khóa S6 được đóng và dẫn khi khóa S1 và S4 ngắt Ngược lại, trong nửa chu kỳ âm, khóa S5 sẽ đóng và dẫn khi khóa S2 và S3 ngắt.

Như vậy, ở trạng thái vector không khóa S5 bộ nghịch lưu và tấm pin mặt tr

Hình 3.11 Mô hình mô ph

Hình 3.12 Mô hình ng thái vector không khóa S5 và S6 được dùng đề nố t trời được cách ly khỏi lưới điện do cặp khóa S1

Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC một pha:

Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC một pha.

Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu HERIC một pha.

26 ối tắt đầu ra của p khóa S1-S4 hoặc ột pha ột pha

Thông số mô phỏng: fsw = 9kHz

Hình 3.13 Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu HERIC một pha

Hình 3.14 Điện áp và dòng tải của bộ nghịh lưu HERIC ba pha

Hình 3.15 Phân tích FFT của điện áp tải Điện áp điều chế được có dạn sin biên độ 311,6 (V), độ méo dạng THD = 0,66%

Hình 3.16 Điện áp common-mode của bộ nghịch lưu HERIC một pha

Điện áp common-mod của bộ nghịch lưu HERIC một pha rất thấp, điều này chứng tỏ rằng bộ nghịch lưu này rất phù hợp cho việc sử dụng trong mô hình kết lưới trực tiếp.

Tổng hao trên linh kiện:

Bảng 3.2 Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu HERIC một pha

Bộ nghịch lưu HERIC không chỉ giải quyết vấn đề điện áp common-mode từ bộ nghịch lưu cầu một pha mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động bằng cách tích hợp thêm hai khóa S5 và S6 để đóng cắt ở tần số thấp.

Bộ nghịch lưu ba pha

3.3.1 Bộ nghịch lưu cầu ba pha:

Hình 3.17 Bộ nghịch lưu cầu ba pha

Xét bộ nghịch lưu cầu ba pha gồm 6 khóa S1, S3, S5, S4, S6, S2 được điểu khiển theo phương pháp điều chế vector không gian

Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu ba pha sử dụng phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) để điều khiển 06 khóa S1, S2, S3, S4, S5, S6:

Hình 3.18 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu ba pha

Hình 3.19 Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu cầu 3 pha

Thông số mô phỏng: f sw = 9kHz

Hình 3.20 Điện áp và dòng tải pha A của bộ nghịch lưu cầu 3 pha

Hình 3.21 Phân tích FFT điện áp tải của cầu 3 pha Điện áp điều chế được có dạn sin biên độ 313,9 (V), độ méo dạng THD = 9.85%

Hình 3.22 Điện áp common-mode của bộ nghịc lưu cầu 3 pha

Tổng hao trên linh kiện:

Bảng 3.3 Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu cầu ba pha

3.3.2 Bộ nghịch lưu HERIC ba pha:

Hình 3.23 Bộ nghịch lưu HERIC ba pha

Bộ nghịch lưu HERIC ba pha, tương tự như bộ nghịch lưu HERIC một pha, được phát triển từ bộ nghịch lưu cầu ba pha, với sự bổ sung của ba khóa SA, SB, SC Những khóa này có chức năng ngắt kết nối giữa pin mặt trời và lưới điện khi ở trạng thái vector không.

Trong đó, phần mạch cầu 3 pha (6 khóa S1, S3, S5, S4, S6, S2) được điểu khiển theo phương pháp điều chế vector không gian

Ba khóa SA, SB, SC được sử dụng để điều khiển việc nối tắt đầu ra của bộ nghịch lưu trong trạng thái vector, nhằm đảm bảo không có sự cách ly giữa pin mặt trời và lưới điện Đề xuất giải thuật điều khiển cho ba khóa này là một giải pháp hiệu quả trong việc quản lý kết nối giữa các nguồn năng lượng.

Giải thuật SVPWM điều khiển 6 khóa S1, S3, S5, S4, S6, S2 thực hiện điều chế vector yêu cầu trên từng góc phần sáu (0 ≤ α < 60 o ), (60 ≤ α < 120 o ), (120 ≤ α < 180 o ),

Trong hình 3.24, có thể thấy rằng tại mỗi góc phần sáu tương ứng của vector không gian điện áp 3 pha Va, Vb, Vc, điện áp có thứ tự độ lớn nhất định Cụ thể, ở góc phần sáu đầu tiên (0 ≤ α < 60°), điện áp Va lớn hơn Vb và Vc; trong khi ở góc phần sáu thứ ba (120 ≤ α < 180°), thứ tự này có sự thay đổi.

Hình 3.24 Sóng điện áp 3 pha ABC và góc anpha của vector không gian tương ứng

Dựa vào tính chất của 3 khóa SA, SB, SC, việc điều khiển đóng cắt sẽ được thực hiện trên từng góc phần sáu tương ứng Khi trạng thái vector không xuất hiện, 3 khóa này sẽ ngắn mạch đầu ra bộ nghịch lưu và cách ly pin mặt trời khỏi lưới điện thông qua việc mở các khóa S1, S3, S5 hoặc S4, S6, S2.

Trong bộ nghịch lưu, góc phần sáu thứ nhất cho thấy rằng vector trung bình trong khoảng thời gian Ts được điều chế thông qua việc tạo ra vector V1 (100) trong thời gian T1, kết hợp với vector V2.

(110) trong thời gian T2 thời gian còn lại Ts – T1 – T2 điều chế vector không

Do điện áp Vc thấp nhất nên có thể kích SC luôn đóng và SA, SB luôn mở Sơ đồ giải thuật như sau:

Hình 3.25 Sơ đồ giải thuật điều khiển 3 khóa SA, SB, SC

Hình 3.26 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC ba pha

Hình 3.27 Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu HERIC ba pha

Thông số mô phỏng: f sw = 9kHz

Hình 3.28 Điện áp và dòng tải pha A của bộ nghịch lưu HERIC 3 pha

Hình 3.29 Phân tích FFT áp tải bộ nghịc lưu HERIC 3 pha Điện áp điều chế được có dạn sin biên độ 314,3 (V), độ méo dạng THD = 9.64%

Hình 3.30 Điện áp common-mode của bộ nghịc lưu HERIC 3 pha

Tổng hao trên linh kiện:

Bảng 3.4 Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu HERIC ba pha

Bộ nghịch lưu HERIC 3 pha sử dụng công nghệ điều chế dạng sóng, mang lại độ méo tương đương với bộ nghịch lưu cầu 3 pha Đặc biệt, nó cải thiện hiệu suất nhờ vào việc tích hợp thêm 3 khóa SA, SB, SC, hoạt động ở tần số thấp và có khả năng cách ly lưới điện khi gặp vector không.

Chương 4: ỨNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU HERIC BA PHA KẾT LƯỚI

HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

Giới thiệu mô hình hệ thống pin Mặt Trời ứng dụng:

Nhóm nghiên cứu gồm Nguyễn Nhật Quang và Nguyễn Trường Đan Vũ, học viên khoa Điện – Điện Tử tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, đã phát triển mô hình ứng dụng nguồn pin năng lượng Mặt Trời để nghịch lưu và cấp điện áp xoay chiều lên lưới điện ba pha Đề tài luận văn thạc sĩ của họ, mang tên "MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT KẾT LƯỚI BA PHA CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG MATLAB VÀ DSPACE DS1104," sử dụng bộ nghịch lưu 2 bậc 6 khóa.

Mô hình hệ thống pin Mặt Trời kết lưới sử dụng bộ nghịch lưu 2 bậc được phát triển trong luận văn này, kế thừa những kết quả nghiên cứu trước đó Mô hình bộ nghịch lưu được thực hiện ở chương 3 nhằm điều chế điện áp xoay chiều, kiểm soát công suất phản kháng và đồng bộ với lưới điện xoay chiều từ nguồn pin năng lượng Mặt Trời.

ỨNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU HERIC BA PHA KẾT LƯỚI HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

Mô hình pin năng lượng Mặt Trời

4.1.1 Mô hình toán của pin Mặt Trời:

Hình 4.3: Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện

I: dòng điện phát ra tức thời của một tế bào quang điện

I ph : dòng quang điện qua diode

Ip: dòng quang điện qua điện trở RP

I ph_ref : dòng quang điện kiểm tra ở điều kiện chuẩn (STC) Điều kiện chuẩn là ứng với S ref = 1000 W/m2 với AM 1.5 và T ref = 250C

T: nhiệt độ tức thời của tế bào quang điện

S: bức xạ mặt trời tức thời α: hệ số nhiệt độ - dòng điện

Id: dòng điện qua diode

Dòng điện bão hoà của diode phụ thuộc vào nhiệt độ của tế bào quang điện Các yếu tố quan trọng bao gồm điện tích electron (q = 1.6e -19) và hằng số Boltzmann (k = 1.38e -23), cùng với hệ số của diode (n).

( ೝ೐೑ ): dòng điện bão hoà của diode ở nhiệt độ Tref

Vg: điện áp bandgrad của vật liệu (Vg = 1.12 ứng với vật liệu Silicon)

Trong đó: ( ೝ೐೑ ): dòng điện ngắt mạch ೝ೐೑ : điện áp hở mạch

Giá trị Rp thường rất lớn, do đó giá trị Ip có thể bị bỏ qua Dòng điện được phát ra bởi một tế bào pin quang điện được tính theo công thức nhất định.

= − ( ೄ ⁄ − 1) (4.7) 4.1.2 Mô phỏng pin Mặt Trời trên Matlab/Simulink:

Các chương trình tính toán dòng điện và điện áp pin được áp dụng theo phương pháp Newton-Ralphson

Phương pháp Newton-Raphson là một kỹ thuật hiệu quả để giải các hệ phương trình phi tuyến Phương pháp này dựa trên việc lặp lại quá trình tính toán Jacobian xung quanh điểm khởi đầu để tìm nghiệm Ví dụ, nếu tập hợp hàm được tuyến tính hóa có dạng nhất định, phương pháp này sẽ giúp xác định nghiệm một cách nhanh chóng và chính xác.

Trong đó ý và x là những vector N chiều, còn f(x) là vector hàm N chiều Phương trình trên được viết lại:

Thêm vào Dx hai vế của phương trình, với D là ma trận NxN có thể nghịch đảo:

Nhân tiếp 2 vế cho D -1 x = x + D -1 [y – f(x)] (4.11) Phương trình trên chính là cơ sở cho phép lặp lại D sẽ được xác định dựa trên cơ sở khai triển Taylor của y quanh điểm x 0 :

Bỏ đi những biểu thức bậc cao, phương trình trở thành:

Phép lặp theo từng bước sẽ có dạng: x(i + 1) = x(i)+ J -1 (i)(y – f(x(i))) (4.14)

Biểu thức tổng quát của ma trận J:

Phương pháp Newton-Raphson được áp dụng để mô hình hóa PV, trong đó phương trình (3.8) sẽ được giải lặp nhằm tính toán các giá trị (IPV, VPV) Khi điều kiện môi trường thay đổi, các tham số I0 sẽ được tính toán lại dựa trên phương trình (3.4) Quá trình lặp lại phương trình (3.8) sẽ được thực hiện để cập nhật kết quả Dưới đây là đoạn mã Matlab thực hiện phép tính này năm lần.

I(1) = IL/5; for i=1:4 f = I(i) + I0*(exp(q/A/k/T*(Vpv_cell + Rs*I(i))) – 1);

J = 1 +I0*q/A/k/T*Rs*exp(p/A/k/T*(Vpv_cell + Rs*I(i))); epsilon = (IL – f)/J;

Pin sử dụng trong mô phỏng Matlab/Simulink đựa vào thông số của pin BP Solar

SX 3200 Các tế bào PV của BP Solar được chế tạo từ multicrysalline silicon

Bảng 4.1: Thông số pin Mặt Trời SX3200 của BP Solar 4.1.2.2 Mô hình mô phỏng pin Mặt Trời bằng Matlab:

Hình 4.4: Mô hình mô phỏng pin Mặt Trời bằng Matlab Các thông số:

G : bức xạ Mặt Trời (kW/m 2 ) (Sun-full: G = 1kW/m 2 )

46 t : nhiệt độ của pin Mặt Trời

Ns : số pin mắc nối tiếp

Np : số pin mắc song song

Voc = 20V : điện áp hở mạch của pin

Isc = 5A : dòng ngắn mạch của pin

Hình 4.5: Mô hình các tấm pin mặt trời

Dựa vào đặc tuyến pin Mặt Trời I_V; P_V, công suất cực đại đạt gần 80W với điện áp khoảng 16V và dòng điện cung cấp khoảng 4,5A.

Hình 4.7: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời nối tiếp

48 Hình 4.8: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời song song

Hình 4.9: Đặc tuyến 4bộ (8 pin Mặt Trời) song song nối tiếp

Bộ BuckBoost IncCond MPPT

Mô hình áp dụng giải thuật cải tiến IncCond nhằm xác định điểm công suất tối đa (MPPT) và sử dụng bộ Buck-Boost để điều chỉnh điện áp đầu ra của hệ thống năng lượng mặt trời.

Mô hình Buck-Boost với thuật toán IncCond MPPT sử dụng tín hiệu điện áp và dòng điện từ hệ thống nguồn pin Mặt Trời để xác định điện áp Vref.

= VMPP mà tại đó hệ thống pin đạt công suất cực đại Tín hiệu điện áp của nguồn pin Mặt

Trời được so sánh với tín hiệu điện áp V ref vừa tìm được để điều khiển đóng ngắt IGBT ở hình 4.11 để nạp cho tụ điện C (5mF)

Hình 4.11: Khóa đóng ngắt điều khiển bộ Buck-Boost

Bộ lọc và đồng bộ lưới điện

Việc đưa năng lượng từ hệ thống PV vào lưới được thực hiện bởi bộ biến đổi DC-

Bộ lọc thường được lắp đặt giữa bộ biến đổi DC-AC và lưới điện để loại bỏ sóng hài, đồng thời hạn chế công suất phản kháng đưa vào lưới nhờ vào các thông số của bộ lọc Các loại bộ lọc phổ biến bao gồm bộ lọc L, LC và LCL, trong đó bộ lọc LC và LCL có thông số nhỏ hơn và đáp ứng nhanh hơn bộ lọc L, nhưng lại phức tạp hơn trong việc điều khiển Luận văn này tập trung vào việc sử dụng bộ lọc L để lọc sóng hài của bộ biến đổi DC-AC.

Hình 4.12: Mô hình bộ lọc 3 pha L 4.3.2 Đồng bộ lưới điện:

Có 2 phương pháp đồng bộ lưới điện:

• Phát hiện điểm không (ZCD)

4.3.2.1 Phát hiện điểm không (ZCD):

Hình 4.13: Phát hiện điểm không

Sơ đồ mạch và dạng sóng điện áp của ZCD cho thấy điện áp V1 (màu đen) tương ứng với điện áp lưới và điện áp V2 (màu hồng) là dạng sóng phát hiện Mỗi lần điện áp lưới vượt qua điểm zero, ngõ ra V2 sẽ thay đổi trạng thái, cho phép xác định góc phase của lưới điện Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm trong việc theo dõi và phân tích điện áp.

• Thực hiện mạch đơn giản

Lưới điện thường gặp nhiều nhiễu và mất cân bằng, dẫn đến việc tín hiệu có thể đi qua điểm zero nhiều lần liên tục Điều này gây ra sự sai lệch trong dạng sóng điện, làm cho hệ thống mất cân bằng và dễ bị hư hỏng do sự không đồng bộ trong quá trình hòa lưới.

4.3.2.2 Vòng khóa phase (PLL): a) Cơ bản về PLL(Phase locked loop) :

PLL là một kỹ thuật phổ biến trong quân sự, hàng không vũ trụ và hệ thống điện tử, giúp đồng bộ hóa các sự kiện định kỳ với những tín hiệu dễ nhận biết từ bên ngoài Các khối cơ bản của PLL đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện chức năng này.

Khối phase detector (PD) trong sơ đồ PLL có chức năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ thuận với sự khác biệt giữa tín hiệu đầu ra và đầu vào.

Bộ lọc vòng (LF) có chức năng loại bỏ các thành phần xoay chiều tần số cao từ khối điều khiển pha (PD), thường được thiết kế dưới dạng bộ mạch lọc thông thấp hoặc bộ điều khiển PI.

Voltage control oscillator: khối này tạo ra một điện áp xoay chiều cho tần số phụ thuộc vào điện áp ở ngõ vào

Hình 4.15: Khối hòa đồng bộ lưới PLL – Data Process được sử dụng trong mô hình mô phỏng

Mô hình chuyển đổi tín hiệu abc sang dq trong khối PLL - Data Process cho phép chuyển đổi các tín hiệu điện áp và dòng điện trong hệ tọa độ abc xoay chiều sang hệ tọa độ vuông góc dq0 Việc này giúp điều khiển độc lập giá trị dòng điện tác dụng và dòng điện phản kháng.

4.3.3 Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha:

Hình 4.17: Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha

Hình 4.18: Mô hình tạo điện áp xoay chiều sin cho từng pha

Khi áp dụng giá trị điện áp lưới V m = 310V, tần số f = 50Hz và các góc pha lệch nhau 2pi/3, ta có thể tạo ra mô hình nguồn điện áp xoay chiều 3 pha cân bằng.

4.3.4 Điều khiển bộ nghịch lưu HERIC ba pha:

Mô hình tạo tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu HERIC ba pha:

Khối Controller chịu trách nhiệm tạo ra tín hiệu điều khiển cho các khóa, với áp điều khiển được phát sinh thông qua phương pháp điều khiển vectơ dòng điện.

Hình 4.20: Áp điều khiển được tạo ra bằng phương pháp điều khiển vectơ dòng điện trong hệ tọa độ quay

Phương pháp điều khiển vectơ dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh PI được thiết kế trong hệ tọa độ quay với vận tốc bằng vận tốc sóng hài cơ bản Trong hệ tọa độ quay tần số đồng bộ, vectơ của đại lượng ba pha hài cơ bản sẽ trở nên đứng yên, và các thành phần vectơ id, iq sẽ chuyển đổi thành đại lượng một chiều.

Các khâu hiệu chỉnh PI trong khối điều khiển dòng Coupling sẽ điều chỉnh sai số của các thành phần một chiều (hài cơ bản) cho đến khi triệt tiêu hoàn toàn Tín hiệu ngõ ra từ quá trình hiệu chỉnh này rất quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất của hệ thống.

PI là các thành phần điện áp cần thiết trong hệ tọa độ d-q, và vectơ điện áp này được chuyển đổi sang hệ tọa độ abc Sau đó, tín hiệu điều khiển được tạo ra dựa trên công thức tính chỉ số điều chế biên độ đã đề cập trong phần 3.1.2.1.

Hình 4.21: Khối Coupling current control xác định giá trị Vd, Vq

Hệ pin Mặt Trời gồm 2 dãy song song, mỗi dãy 40 pin nối tiếp (80 pin, công suất khoảng 80 x 72W = 5,8kW), G = 1kW/m 2 , R = 5Ω:

56 Hình 4.22: Dạng sóng Va_Ia; I_filter; I_Grid_supply; và Udc

Sau gian 0,6s mô hình đạt ổn định:

Udc đạt giá trị đặt 650V;

Dòng Ia từ bộ nghịch lưu qua bộ lọc và áp pha A (áp lưới) cùng pha => Hòa lưới thành công (tải trở R = 5Ω):

Hình 4.23: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (80 pin)

Hình 4.24: Điện áp sau bộ nghịch lưu (80 pin)

Hình 4.25: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (80 pin)

Hình 4.26: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (80 pin)

Do tải có công suất lớn:

Dòng tải I được tính bằng công thức I = U/R, với giá trị U là 310V và R là 5Ω, cho kết quả là 62A Cả pin Mặt Trời và lưới điện đều đóng góp vào dòng tải này Thực tế, dòng điện 3 pha sau bộ lọc và dòng từ lưới điện cùng pha, tạo ra tổng dòng điện khoảng 62A, đủ để cung cấp cho tải.

Hệ pin Mặt Trời gồm 4 dãy song song, mỗi dãy 40 pin nối tiếp (160 pin, công suất khoảng 160 x 72W = 11,5kW), G = 1kW/m 2 , R = 5Ω:

Hình 4.27: Dạng sóng Va_Ia; I_filter; I_Grid_supply; và Udc (160 pin)

Sau 0,3 giây, mô hình đã đạt được sự ổn định, nhanh hơn so với mô hình có 2 dãy song song, mỗi dãy gồm 40 pin nối tiếp Điều này cho thấy rằng khi công suất pin tăng, tốc độ ổn định cũng tăng theo.

Udc đạt giá trị đặt 650V;

Dòng Ia từ bộ nghịch lưu và áp pha A (áp lưới) cùng pha => Hòa lưới thành công (do tải trở)

Hình 4.28: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin)

Hình 4.29: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin)

Do tải có công suất lớn nên pin Mặt Trời và lưới đều cung cấp cho tải

Hình 4.30: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin)

Hình 4.31: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (160 pin)

Hệ pin Mặt Trời gồm 4 dãy song song, mỗi dãy 40 pin nối tiếp (160 pin), G = 0,5 kW/m 2 , R = 5Ω:

Hình 4.32: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, G = 0,5)

Hình 4.33: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, G = 0,5)

Do tải lớn nên cả bộ nghịch lưu và lưới đều cung cấp cho tải

Hình 4.34: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, G = 0,5)

Khi cường độ bức xạ Mặt Trời giảm xuống còn 0,5 kW/m², dòng điện do pin Mặt Trời cung cấp cho hệ thống cũng giảm tương ứng, khoảng 12A Để bù đắp cho công suất hao hụt này, lưới điện 3 pha phải tăng cường dòng điện lên khoảng 50A nhằm đảm bảo cung cấp đủ cho tải R.

Hệ pin Mặt Trời gồm 4 dãy song song, mỗi dãy 40 pin nối tiếp (160 pin), G = 1kW/m 2 ,

Hình 4.38: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, R = 20Ω)

Hình 4.36: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, R = 20Ω)

Hình 4.37: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, R = 20Ω)

Hình 4.38: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (160 pin, R = 20Ω)

Do tải có công suất nhỏ hơn hệ pin Mặt Trời: