(Luận văn thạc sĩ) thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GIỚI THIỆU I Đặt vấn đề

Nhiệm vụ của luận văn

Luận văn “Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia” có nội dung chủ yếu:

- Tầm quan trọng của luận văn

- Phân tích sự ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện

- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng

- Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hòa năng lượng mặt trời vào lưới quốc gia

- Kết quả nghiên cứu của luận văn.

Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện

- Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC

- Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện phân phối

- Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện

- Áp dụng kết quả để tính toán thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu

1 Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

2 Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện Ảnh hưởng của các thông số khi hòa Đề nghị mô hình tính toán cụ thể

3 Xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực tế

4 Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị

5 Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn Đề nghị hướng phát triển của đề tài.

Điểm mới của luận văn

1 Tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia

2 Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính toán bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia

3 Góp phần ổn định lưới điện phân phối

4 Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng

5 Nguồn năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới khi giờ cao điểm.

Giá trị thực tiễn của đề tài

Trước nhu cầu cấp thiết trong việc tiết kiệm năng lượng cho các hộ tiêu thụ điện và cung cấp thêm cho nguồn năng lượng quốc gia, việc sử dụng năng lượng mặt trời trở nên quan trọng Nguồn năng lượng này không chỉ có khả năng dự trữ mà còn giúp giảm tải cho lưới điện trong giờ cao điểm Do đó, đề tài "Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia" đã được hình thành để đáp ứng những yêu cầu này.

Từ công việc nghiên cứu của luận văn:

1 Nhận được kết quả từ một mô hình thiết kế chính xác bộ chuyển đổi năng lượng

2 Với kết quả nhận được có thể:

 Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện

 Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai

 Sử dụng làm tài liệu giảng dạy

Giúp các nhà thiết kế tạo ra tài liệu quan trọng cho việc tính toán thiết kế bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện quốc gia.

Nội dung luận văn

Chương 2 : Phương trình toán và giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu

Chương 3 : Sơ đồ và kết quả mô phỏng bằng matlab

Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển

TỔNG QUAN

Tính cần thiết

Ngày nay, sự phát triển của xã hội yêu cầu một nguồn năng lượng điện lớn, dẫn đến nhu cầu phát triển đa dạng các nguồn năng lượng như nhiệt điện, thủy điện và năng lượng hạt nhân Tuy nhiên, những nguồn năng lượng này đang dần cạn kiệt và gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và hệ sinh thái Do đó, cần tìm kiếm nguồn năng lượng vô tận, đảm bảo các yếu tố bền vững Năng lượng gió và năng lượng mặt trời đã được khai thác nhưng chi phí vẫn còn cao Ý tưởng kết nối các nguồn năng lượng nhỏ từ hộ gia đình như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, máy phát Diesel và máy phát biogas vào lưới điện sẽ giúp giảm tải cho lưới điện và tăng cường nguồn cung cấp cho hệ thống điện.

Kết nối các nguồn điện từ hộ gia đình vào hệ thống điện giúp đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các phụ tải, đồng thời giảm thiểu tình trạng quá tải trên đường dây Việc tận dụng công suất tối đa từ các nguồn năng lượng của hộ tiêu thụ, đặc biệt khi tải hộ gia đình nhỏ nhưng nguồn phát lớn, sẽ góp phần ổn định hệ thống điện trong những lúc quá tải.

Nghiên cứu về điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống năng lượng mặt trời đã được triển khai rộng rãi Bên cạnh đó, một vấn đề quan trọng khác là ảnh hưởng của sự thay đổi điện áp nguồn năng lượng mặt trời, điện áp lưới phân phối và tần số lưới đến hoạt động của hệ thống.

Nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa vào lưới phân phối một pha có công suất nhỏ là rất cần thiết, đặc biệt khi các thông số nguồn thay đổi, vì điều này ảnh hưởng lớn đến hoạt động của các khóa điện tử trong bộ nghịch lưu.

Nhiệm vụ của luận văn là ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới, đảm bảo không đổi khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời và điện áp, tần số của nguồn lưới điện phân phối thay đổi Đồng thời, luận văn cũng tập trung vào việc giữ Q ở mức thấp nhất để nâng cao hệ số công suất Việc này giúp bảo vệ các khóa điện tử của bộ nghịch lưu và các thiết bị trong hệ thống, đồng thời giảm thiểu công suất phản kháng Q phát vào lưới.

Hòa đồng bộ hai máy phát

Việc hòa đồng bộ hai máy phát yêu cầu chọn điểm đồng bộ chính xác để kết nối áp lực của tổ máy vào lưới điện, đồng thời phải đảm bảo rằng tổ máy phát hiện tại đang hoạt động trên lưới Điểm hòa lý tưởng phải đáp ứng đầy đủ các điều kiện cần thiết để đảm bảo sự ổn định và hiệu suất của hệ thống.

- Biên độ Sđđ máy hòa bằng điện áp lưới E h =U l

- Giá trị tần số của máy hoà phải bằng tần số của lưới Fh = f l

- Các tổ máy phát phải có cùng thứ tự pha

Để đảm bảo việc hòa đồng bộ giữa các máy phát điện, góc lệch giữa hai véc tơ Eh và U l cần phải bằng "không" Điều này giúp dòng điện cân bằng giữa các máy phát có giá trị nhỏ nhất, tránh hư hỏng cho máy phát và cho phép chúng hoạt động song song một cách bình thường Khi các điều kiện hòa song song được thỏa mãn, đặc biệt là góc lệch pha giữa các điện áp pha nằm trong giới hạn cho phép, quá trình hòa song song sẽ diễn ra êm ái mà không gây ra dòng cân bằng lớn.

- Hiệu số hình học điện áp giữa điện áp pha của máy phát đang hoạt động và máy phát được hoà phải bằng không.

- Dòng cân bằng vào thời điểm hoà bằng không, cụ thể không có tăng dòng đột biến, không có hiện tượng giao động điện áp trên thanh cái

Khi các điều kiện hòa đồng bộ không được đáp ứng đầy đủ, việc hòa máy phát vào mạng sẽ dẫn đến dòng cân bằng và dao động điện áp trên thanh cái Những giá trị này sẽ được quy về một tổ máy tương đương, gọi là F l, trong khi máy phát sẽ hòa vào mạng với ký hiệu MF 1.

Tại bất cứ thời điểm nào trước khi hoà ta cũng có

Giả sử ban đầu lấy  1   2 = 0 ta có : t t

Dòng điện cân bằng chạy trong 2 tổ máy phát ở thời điểm hoà được tính theo công thức sau: h l cb X X

( Xl là điện kháng của máy phát tương đương làm việc trên lưới, Xh là điện kháng của máy phát hoà)

Hình 1 1: Công tác song song

Hình 1 2: Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa

1.2.2 Phân tích các điều kiện hòa a Điều kiện về điện áp

Về trị số độ lớn của điện áp lưới và Sđđ máy hoà không thoả mãn trong khi đó các Điều kiện kia thoả mãn:

  > 0 ; độ lớn tuỳ thuộc độ chênh lệch

Điều kiện hòa thứ nhất không được thỏa mãn khi véc tơ chứng minh cho thấy dòng cân bằng vẫn tồn tại Dòng cân bằng này có giá trị dao động từ 0 đến -Inm.

Hình 1 3: Sơ đồ vecto khi điện áp không thỏa mãn mà các điều kiện khác thảo mãn b Điều kiện tần số không thoả mãn

Gỉa sử điện áp các máy phát bằng nhau, tần số khác nhau: U l = E h = U, f l  f h

Khi máy phát điện 1 hòa vào mạng, các vecto điện áp của máy đang hoạt động và máy hòa lệch nhau một góc δ do tốc độ góc của hai máy phát ω1 và ω2 không bằng nhau, khiến góc δ thay đổi từ 0 đến 180 độ Hiệu số hình học các điện áp nằm trong giới hạn từ 0 đến 2U Tại thời điểm hòa, dòng cân bằng xuất hiện và giá trị của nó phụ thuộc vào hiệu hình học điện áp ΔU Do điện trở tác dụng của cuộn dây stator nhỏ so với điện trở kháng, vecto dòng cân bằng Icb lệch pha với vecto điện áp ΔU một góc 90 độ Dòng cân bằng có giá trị lớn có thể gây ra va đập cơ học trên trục các máy phát, dẫn đến hư hỏng nặng.

Gía trị biên độ dòng cân bằng vào thời điểm hoà đối với máy phát có cuộn ổn định khi E '' d 1  E '' d 2  E '' d được xác định bằng biểu thức sau: sin 2

E - Sức điện động của máy phát 1 và máy phát 2 có điện trở kháng siêu dẫn dọc trục

Điện trở kháng siêu dẫn dọc trục của máy phát 1 và máy phát 2 là yếu tố quan trọng trong việc hòa nối hai máy phát này Điện trở kháng x c cho phép máy phát 1 kết nối với máy phát 2 một cách hiệu quả Hệ số va đập k y cũng cần được xem xét, vì nó phản ánh thành phần không chu kỳ của dòng điện, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.

2Hệ số xác định biên độ thành phần có chu kỳ dòng điện

Dòng cân bằng đạt giá trị cực đại khi 180 0

Dòng cân bằng có thể tăng đột ngột lên từ 10 đến 15 lần so với dòng định mức, gây ra lực điện động mạnh mẽ trong cuộn dây stator, dẫn đến hư hỏng các cuộn dây này.

Hòa song song máy phát khi góc lệch pha lớn tương tự như hiện tượng ngắn mạch trên thanh cái trạm phát điện Nếu máy phát hòa không thể đồng bộ, các máy phát khác sẽ tự động bị ngắt khỏi mạng nhờ vào thiết bị bảo vệ, dẫn đến việc rời khỏi trạng thái đồng bộ.

Dòng cân bằng đạt giá trị cực đại khi   180 0 ,  U  2 U (2Eh)

Khi hệ thống điện có hai máy phát giống nhau, ta có x''d1 = x''d2 và xC gần bằng 0 Trong trường hợp xấu nhất với δ = 180°, khi hòa song song, dòng cân bằng đạt giá trị cực đại bằng dòng va đập ngắn mạch ba pha trên thanh cái của hệ thống, được ký hiệu là i yp''1.

Giá trị hiệu dụng chênh lệch điện áp  U sẽ biến đổi từ 0 khi góc ( = 0 0 ) đến 2U khi ( 0 0 ) và vì vậy dòng cân bằng h l cb X X

  = thay đổi trong khoảng từ 0

( = 0) đến Inm khi = 180 0 ) với tần số là f s (f l  f h )

Trong kỹ thuật hoà chính xác người ta thường lấy góc cp = 7,5 - 10 độ điện c Điều kiện về thứ tự pha

Thứ tự pha là yếu tố mà người vận hành không cần lo lắng trong quá trình lắp đặt hoặc sửa chữa, vì các nhà máy cần xác định chính xác trước khi tiến hành thử nghiệm làm việc song song Tuy nhiên, thứ tự pha thực sự phản ánh chiều quy của véc tơ điện áp trong không gian.

Theo quy ước, nếu thứ tự pha thuận, điện áp sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ; ngược lại, nếu là thứ tự pha ngược, điện áp sẽ quay theo chiều kim đồng hồ (như thể hiện trong hình 1.4).

Để kiểm tra thứ tự pha trong hệ thống ba pha quét tơ quay, có thể sử dụng đồng hồ Phazomet hoặc động cơ điện xoay chiều Thứ tự pha được xác định theo chiều ngược kim đồng hồ: Pha A, Pha B, Pha C Điều kiện về góc lệch pha cho thấy điểm đồng bộ xảy ra khi góc lệch giữa (Ul, E h) bằng 0, dẫn đến Icb bằng 0 Ngược lại, ở các góc lệch khác, Icb sẽ không bằng 0.

Khi chọn điểm đóng áp tomát cho máy phát hòa, cần lưu ý thực hiện khi góc  nhỏ hơn 10 độ điện về phía trước, đồng thời khi góc  giảm xuống "0" (điểm đồng bộ) Điều này là do sự chậm trễ trong quan sát, động tác và hệ truyền động cơ khí Nếu thực hiện đúng, máy hòa vào sẽ nhận một phần nhỏ tải của máy đang hoạt động Ngược lại, nếu không, máy hòa có thể chuyển sang chế độ công suất ngược, gây tăng tải cho máy đang làm việc trên lưới.

Các nghiên cứu khoa học liên quan

Numerous studies have been published on the integration of solar energy into the electrical grid, including works such as "Grid-connected Photovoltaic Systems" and "Digital Power Factor Control and Reactive Power Regulation for Grid-connected Photovoltaic Inverters." These research efforts focus on optimizing the performance and efficiency of photovoltaic systems connected to the grid.

Recent studies focus on the control of active power (P), reactive power (Q), and the management of current injected into the grid This includes the implementation of active and reactive power controllers for single-phase systems, the application of Z-source converters in transformer-less photovoltaic grid-connected inverters, and the development of software applications for energy flow simulation in grid-connected photovoltaic systems.

1.3.1 Điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q khi kết nối nguồn năng lương mặt trời vào lưới điện [1]

Phân tích phương trình khi kết nối sin( ) s cos( )

Trong hệ thống năng lượng mặt trời, E đại diện cho điện áp nguồn năng lượng mặt trời, trong khi U là điện áp của lưới điện Góc lệch giữa E và U được ký hiệu là δ, và góc lệch giữa U và I là φ Điện áp của lưới được tính theo công thức: \( u = U \sin(\omega t) = U \sin(\theta) \) Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu được xác định bằng công thức: \( e = E \sin(\theta + \delta) \).

Để điều khiển công suất tác dụng P bơm vào lưới, cần điều chỉnh góc lệch δ, trong khi để điều khiển công suất phản kháng Q bơm vào lưới, cần điều chỉnh ΔE Sơ đồ điều khiển được minh họa trong hình 1.5.

Kết quả mô phỏng của phương pháp trên được mô tả tại hình 1.6 Kết quả mô phỏng cho thấy các khoảng thời gian giữa [P,Q]: [0%, 0%], [100%, 0%], [50%, 0%], [50%, 100%], [100%, 0%]

Phương pháp sử dụng bộ điều khiển PI để so sánh giữa Pref và Qref với P và Q thực tế Nghiên cứu đã thành công trong việc điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q được bơm vào lưới điện.

Hình 1 5: Sơ đồ điều khiển của [1]

Hình 1 6: Kết quả mô phỏng P, Q, S, I của [1]

1.3.2 Điều chỉnh chỉnh công suất phản kháng và điều khiển hệ số công suất khi kết nối hệ thống năng lượng mặt trời với lưới điện [2]

Phân tích phương trình cos( ) V V inv grid sin( )

   sin( ) V grid ( inv cos( ) grid )

Trong hệ thống điện mặt trời, Vinv là điện áp của bộ inverter, trong khi Vgrid đại diện cho điện áp của lưới điện Góc lệch giữa Vinv và Vgrid được ký hiệu là , và góc lệch giữa Vgrid và I out được ký hiệu là .

Dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu được tính inv out

  Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu được tính inv a dc

V  m V trong đó ma là chỉ số điều chế

Thế Vinv ta có a dc out

Góc lệch  phụ thuộc độ lớn của V inv so với V grid giá trị V inv được điều khiển bởi hệ số ma

Giải thuật điều khiển được hiển thị trên hình 1.7

Nghiên cứu [2] cho thấy việc điều khiển điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu có ảnh hưởng quan trọng đến hệ số công suất khi bơm dòng điện vào lưới Cụ thể, khi dòng điện đạt mức trung bình, hệ số công suất có thể đạt từ 0.9 đến 0.98 Tuy nhiên, hệ số công suất giảm đáng kể khi dòng điện bơm vào lưới ở mức thấp hoặc cao.

Hình 1 7: Giải thuật điều khiển của [2]

Hình 1 8: Kết quả nghiên cứu của [2]

1.4 Nhược điểm của các nghiên cứu liên quan và hướng nghiên cứu của luận văn

1.4.1 Nhược điểm của nghiên cứu [1]

Nghiên cứu đã thành công trong việc điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bằng cách điều chỉnh góc lệch δ để kiểm soát P và biến thiên điện áp ΔE để điều chỉnh Q.

Việc điều khiển công suất P và Q khi hòa vào lưới điện là rất quan trọng, đặc biệt khi các thông số như điện áp của bộ năng lượng mặt trời Vdc, điện áp lưới U và tần số f luôn biến động Do đó, việc bơm công suất P và Q vào lưới cần phải xem xét sự thay đổi của Vdc, U và f để đảm bảo hiệu suất và ổn định cho hệ thống điện.

1.4.2 Nhược điểm của nghiên cứu [2]

Nghiên cứu [2] đã thành công trong việc tối ưu hóa dòng điện bơm vào lưới bằng cách giảm thiểu công suất phản kháng Q, từ đó nâng cao hệ số công suất Điều này được thực hiện thông qua việc điều khiển chỉ số ma để kiểm soát Vinv.

Mục đích của nghiên cứu này là rất quan trọng, vì điện áp Vinv ảnh hưởng đến điện áp của bộ năng lượng mặt trời Vdc và điện áp U cùng tần số f của lưới điện Các thông số này thường xuyên thay đổi trong thực tế, do đó việc điều khiển dòng điện bơm vào lưới là cần thiết, nhưng cần chú ý đến sự biến động của các thông số liên quan.

1.4.3 Hướng nghiên cứu của luận văn

- Điều khiển dòng điện bơm vào lưới luôn đảm bảo công suất phản kháng Q để luôn giữ được hệ số công suất ở mức cao nhất khi Vdc thay đổi

- Điều khiển dòng điện bơm vào lưới luôn đảm bảo công suất phản kháng Q để luôn giữ được hệ số công suất ở mức cao nhất khi U thay đổi

- Điều khiển dòng điện bơm vào lưới là hằng số khi khi U thay đổi

- Điều khiển dòng điện bơm vào lưới là hằng số khi khi Vdc thay đổi

- Điều khiển dòng điện bơm vào lưới là hằng số khi khi f thay đổi.

PHƯƠNG TRÌNH TOÁN VÀ GIẢI THUẬT

Sơ đồ kết nối

Nguồn năng lượng mặt trời với điện áp DC 480V cung cấp năng lượng cho bộ nghịch lưu mạch cầu H Bộ nghịch lưu chuyển đổi điện áp DC thành nguồn AC, được gọi là E Nguồn E sau đó được kết nối với lưới điện phân phối thông qua cuộn dây L.

Hình 2 1: Sơ đồ kết nối nguồn năng lượng mặt trời kết nối vào lưới điện phân phối một pha

Từ sơ đồ kết nối hình 2.1 ta có sơ đồ kết nối tương đương như hình 2.2

Hình 2 2: Sơ đồ tương đương khi kết nối

Công thức tính P và Q khi bơm vào lưới điện

Với sơ đồ tương tương hình 2.2 ta có đồ thị vectơ giữa các thông số khi hòa như sau:

Hình 2 3: Giản đồ vectơ của các thông số khi hòa

Từ hình 2.3 ta có công thức tính công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bơm vào lưới điện như sau:

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về điện trở kháng Xs của cuộn dây L, cùng với điện trở và điện kháng của máy biến áp, trong đó có góc lệch và sự sụt áp trên máy biến áp được gọi là K Ngoài ra, góc δ được xác định bởi điện áp E và điện áp U, trong khi góc φ là góc giữa điện áp U và dòng điện I.

Công suất tác dụng (P) được biến đổi đưa về lưới điện được tính như sau: cos( ) sin( ) s

Công suất phản kháng (Q) được biến đổi đưa về lưới điện được tính như sau:

Để thay đổi công suất tác dụng P và Q khi bơm vào lưới, cần điều chỉnh các yếu tố như điện áp E, điện áp U, điện kháng L và đặc biệt là góc lệch δ Trong số các thông số ảnh hưởng đến việc điều chỉnh công suất P, việc kiểm soát góc lệch δ được coi là dễ dàng hơn cả.

Việc thay đổi E cho phép can thiệp vào hệ số máy biến áp và điện áp năng lượng mặt trời Vdc, cũng như điều chỉnh thông số tạo xung kích cho các khóa điện tử của bộ nghịch lưu Trong số các phương pháp điều khiển E để quản lý P, can thiệp vào bộ tạo xung kích cho bộ nghịch lưu là khả thi hơn cả Tuy nhiên, việc thay đổi và điều khiển hệ số máy biến áp là một thách thức lớn, đặc biệt trong thiết kế ứng dụng công suất nhỏ Bên cạnh đó, việc điều chỉnh điện áp Vdc cũng gặp khó khăn khi áp dụng phương pháp băm xung điện áp cho nguồn DC.

Việc thay đổi điện áp nguồn lưới U để điều khiển công suất P và Q bơm vào lưới điện thông qua máy biến áp nhằm kiểm soát đầu phân áp tạo ra sự phức tạp trong việc điều khiển P, cũng như trong thiết kế và thi công sau này.

Thay đổi thông số của cuộn dây L xem như càng không khả thi

Thay đổi góc lệch  bằng phương pháp so sách giữa tín hiệu điện áp U và điện áp

E từ đó can thiệp điều khiển góc  , việc điều khiển này cũng can thiệp vào việc tạo xung kích của bộ nghịch lưu

Để điều chỉnh công suất P bơm vào lưới điện, cách dễ nhất là can thiệp vào góc lệch  Để thay đổi công suất phản kháng Q, cần điều chỉnh điện áp E Hai thông số điều khiển này, góc lệch  và điện áp E, ảnh hưởng đến công suất tác dụng P và phản kháng Q, có thể tác động qua bộ tạo xung kích cho bộ nghịch lưu Việc điều khiển hai thông số này liên quan đến các công thức (2.3) và (2.4), do đó, quá trình điều chỉnh trở nên phức tạp.

Mục tiêu của luận văn này là điều khiển và duy trì dòng điện bơm vào lưới luôn ổn định, bất chấp sự thay đổi của nguồn năng lượng mặt trời E, điện áp U và tần số f của lưới điện.

Công thức tính dòng điện I bơm vào lưới điện không đổi

Khi can thiệp vào góc lệch , công thức (2.3) sẽ điều chỉnh góc theo hàm Sin, trong khi công thức (2.4) sẽ thay đổi góc dựa trên hàm Cos.

Khi thay đổi một góc nhỏ, ảnh hưởng đến hàm Cos là không đáng kể, dẫn đến công suất P biến đổi nhiều so với công suất phản kháng Q, mà lúc này ta coi Q là không thay đổi Tuy nhiên, khi thay đổi E, nó sẽ tác động đồng thời đến cả công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q.

Để duy trì dòng điện bơm vào lưới ổn định, cần điều chỉnh sao cho công suất phản kháng Q bằng 0 Khi đó, công suất tác dụng P sẽ bằng công suất biểu kiến S (P = S) Theo công thức E.cosδ = U, với góc δ thay đổi nhỏ, hàm Cos gần như không thay đổi và có thể coi là 1 Do đó, khi Q = 0, ta có P = S, dẫn đến mối quan hệ sin(δ) = sin(δ).

Khi điện áp nguồn lưới U thay đổi

Để duy trì dòng điện I không đổi khi điện áp U nguồn lưới thay đổi, nếu điện áp U tăng k lần, thì hệ số tgδ cần giảm đi k lần để giữ I = const, và ngược lại.

Khi tần số nguồn lưới f thay đổi

Khi giữ dòng điện I không đổi, nếu tần số f tăng k lần trong khi điện áp vẫn giữ nguyên, thì hệ số tgδ cũng sẽ tăng k lần, và ngược lại.

Khi điện áp nguồn năng lượng V dc thay đổi

Để duy trì dòng điện I không đổi khi điện áp V dc thay đổi, điện áp E cũng cần được điều chỉnh tương ứng Do đó, điện áp đầu cuộn kháng phải đảm bảo điều kiện Ecos = U, nhằm giữ cho hệ số công suất PF = 1 và điều kiện Q = 0 Tất cả các điều khiển này có thể được thực hiện thông qua bộ tạo xung kích cho bộ nghịch lưu, nhằm đảm bảo rằng dòng điện bơm vào lưới luôn ổn định, bất chấp sự biến đổi của nguồn năng lượng mặt trời E, điện áp U và tần số f của nguồn lưới.

Sơ đồ khối kết nối của bộ nghịch lưu vào lưới điện phân phối

Sơ đồ khối được thiết kế kết nối như hình 2.4

Hình 2 4: Sơ đồ khối kết nối

Khối năng lượng mặt trời

Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng các tấm pin được kết nối theo kiểu ghép nối tiếp và song song để tạo ra điện áp khoảng 24VDC Sau đó, mạch PUSH được sử dụng để nâng cao điện áp lên 480VDC, phục vụ cho bộ nghịch lưu Tuy nhiên, nguồn năng lượng mặt trời thường không ổn định và có thể thay đổi theo thời gian trong ngày cũng như điều kiện thời tiết.

Bộ nghịch lưu được thiết kế với các khóa điện tử dựa trên mạch cầu H và sử dụng linh kiện IGBT Để kích dẫn các khóa bán dẫn IGBT, có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp điều khiển SPWM (Điều chế độ rộng xung hình sin) được áp dụng trong luận văn này.

Khối lưới điện phân phối là thành phần kết nối trực tiếp với lưới điện, có chức năng bơm dòng công suất ra ngoài Nó được trang bị cảm biến để ghi nhận các tín hiệu về tần số f, biên độ U và giá trị điện áp tức thời Vsin Các tín hiệu này sau đó được truyền về bộ vi xử lý để xử lý và phân tích.

Bộ trễ là thiết bị điều chỉnh tín hiệu, giúp tạo ra sự trễ cho tín hiệu ngõ ra so với ngõ vào trong khoảng thời gian Td, được xác định bởi bộ vi điều khiển.

Bộ vi điều khiển trung tâm:

Nhiệm vụ chính của bộ vi điều khiển là từ các tín hiệu nhận về từ các bộ khác:

- Giá trị điện áp Vdc từ nguồn điện một chiều

Giá trị dòng điện mong muốn i bơm vào lưới điện phân phối có thể được cài đặt từ trước hoặc điều chỉnh linh hoạt thông qua giao tiếp với các bên bên ngoài.

- Giá trị cuộn dây L nối với lưới điện phân phối Giá trị này ta thu được khi do giá trị của cuộn dây

- Các giá trị điện áp hiệu dụng của lưới U, tín hiệu điện áp lưới Vsin, tần số lưới f Đây là các giá trị quang trọng trên lưới

Vi điều khiển đảm nhận vai trò quan trọng trong việc xuất lệnh điều khiển cho các linh kiện chuyển mạch công suất của bộ nghịch lưu Ngoài ra, nó còn thực hiện chức năng đóng điện mềm để bơm dòng công suất vào lưới điện phân phối thông qua việc xuất lệnh điều khiển đóng khóa K.

Nguyên lý và phương pháp thực hiện kỹ thuật analog trong bộ nghịch lưu dựa trên việc so sánh hai tín hiệu cơ bản, từ đó tạo ra giản đồ kích đóng công tắc hiệu quả.

- Sóng mang u p (carrier signal) tần số cao

Sóng điều chế ur (sóng điều khiển) thường có dạng sin, kích hoạt công tắc lẻ khi ur lớn hơn sóng mang (up), trong khi công tắc chẵn sẽ được đóng khi ngược lại Sóng mang up có thể là dạng tam giác, và tần số sóng mang càng cao thì lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao cũng dẫn đến tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc, cùng với thời gian đóng ton và ngắt toff của linh kiện, tạo ra những hạn chế trong việc chọn tần số sóng mang.

Sóng điều khiển ur cung cấp thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha, cần tạo sự lệch pha 1/3 chu kỳ, trong khi với bộ nghịch lưu áp một pha, cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha nửa chu kỳ Để đơn giản hóa mạch kích, có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất, trong đó cặp công tắc (S1S4) được kích đóng theo mối quan hệ giữa sóng điều khiển và sóng mang, còn cặp (S2S3) được kích đóng ngược lại Điều này hình thành trạng thái kích đóng cho các cặp công tắc (S1S2) hoặc (S3S4).

Gọi m f là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio): reûence carrier f f m  f (2.6)

Việc tăng giá trị m f sẽ làm tăng tần số của các sóng hài, tuy nhiên, điều này cũng gây ra vấn đề tổn hao lớn do quá trình đóng ngắt Giá trị tần số này bị giới hạn bởi tốc độ đóng cắt của IGBT, trong đó thời gian chết Td là một thông số quan trọng; nếu IGBT không chuyển mạch đúng thời gian, sẽ không xảy ra chuyển mạch Bên cạnh đó, tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio) cũng cần được xem xét khi sóng điều khiển dạng sin (V dk) và sóng mang tam giác (V t) tương tác với nhau.

Nếu V dk V t (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính Trong nghiên cứu này, chúng ta chỉ xét đến trường hợp điều khiển tuyến tính  V dk V t  Đối với bộ nghịch lưu áp một pha: a dc

E m V (2.8) Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha:

Giản đồ xung kích bằng phương pháp SPWM theo hình 2.1

Hình 2.5 minh họa giản đồ xung kích của bộ nghịch lưu một pha sử dụng phương pháp SPWM Hai sóng điều khiển sin lệch nhau 180 độ, với tần số và góc pha ban đầu của chúng quyết định tần số và góc pha của điện áp ngõ ra E Tần số sóng mang V t ảnh hưởng đến độ rộng xung và sóng hài của điện áp ngõ ra.

Theo công thức (2.7) và (2.8) độ lớn của hai sóng mang và sóng điều khiển sẽ phụ thuộc trực tiếp đến điện áp ngõ ra E

Khi tần số sóng mang f c tăng cao, độ rộng xung giảm, làm cho điện áp và dòng điện trên tải trở nên giống hình sin hơn.

Hình 2 6: Giản đồ dòng điện và điện áp ngõ ra nghịch lưu dùng phương pháp

Khi giá trị V dc được duy trì bằng V t, điện áp ngõ ra E sẽ tương đương với điện áp điều khiển V dk Điều này có nghĩa là nếu có sự thay đổi ở điện áp V dc, chúng ta sẽ điều chỉnh giá trị V t Khi V dc bằng V t, điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu không còn phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp nguồn năng lượng mặt trời, mà chỉ phụ thuộc vào điện áp điều khiển V dk.

Các nguyên tắc tính toán trong bộ vi điều khiển

Phương pháp này rất đơn giản: bắt đầu với một sóng sin có tần số nhất định, sau đó tạo ra một sóng sin tương tự nhưng có độ trễ pha gần một chu kỳ so với sóng ban đầu Kết quả là sóng sin mới sẽ có pha sớm hơn sóng sin ban đầu.

Giải thuật giảm tổng méo dạng sóng hài THD cho dòng điện của bộ nghịch lưu bơm vào lưới điện phân phối

Dòng điện từ bộ nghịch lưu không phải là hình sin hoàn hảo mà là một hình răng cưa bao quanh hình sin chuẩn, với tần số tương ứng với sóng điều khiển, được gọi là dòng điện cơ bản Phần sai lệch so với dòng điện cơ bản được xem là nhiễu, là sự tổng hợp của các dòng điện hài bậc cao Mục tiêu của thuật toán là tạo ra hai dòng điện nghịch lưu có giá trị dòng điện cơ bản giống nhau nhưng nhiễu ngược nhau, nhằm triệt tiêu phần lớn nhiễu khi cộng hai dòng điện lại, từ đó giảm độ méo sóng hài và nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu.

Khi chuyển điện áp từ V1 sang V2, việc tính toán dòng điện quá độ trở nên quan trọng Dòng điện tại thời điểm đóng khóa được gọi là dòng điện quá độ và có giá trị I0 Việc hiểu rõ quá trình này giúp tối ưu hóa hiệu suất của mạch điện.

Hình 2 7: Sơ đồ chuyển mạch giữa hai điện áp V1 và V2

Trước khi đóng K sang (2) ta có:

Ngay sau khi đóng K sang (2)

I   do không có sự thay đổi dòng điện trên mạch

L di iR   đặt i  i td  i xl trong đó : i xl là dòng điện xác lập i td là dòng điện quá độ

R i xl  V 2 i td tuân theo phương trình :

0 với điều kiện ban đầu I  0  I 0 ta có:

Do thời gian chuyển mạch rất ngắn, đồ thị gần như trùng với phương trình đường thẳng tiếp tuyến tại t=0 Do đó, ta có thể tuyến tính hóa nó bằng phương trình đường thẳng tiếp tuyến tại điểm t=0, với dạng phương trình cụ thể.

Xét bài toán chuyển mạch giữa hai điện áp V1 và V2 đồng thời có sự tham gia của điện áp xoay chiều:

Trong sơ đồ chuyển mạch giữa hai điện áp V1 và V2, có sự tham gia của điện áp xoay chiều, mạch trở nên phức tạp với biến thiên lớn khi xét trên khoảng thời gian dài Tuy nhiên, khi phân tích trong một chu kỳ sóng mang tam giác (tần số khoảng 5-10KHz), sự biến thiên này lại khá nhỏ Để thuận tiện cho việc tính toán, ta giả định rằng trong một chu kỳ sóng mang, giá trị sóng sin không thay đổi, tức là điện áp lưới điện được coi như một nguồn DC Mạch tương đương được mô tả như hình dưới.

Trong sơ đồ chuyển mạch hai nguồn DC cơ bản, hình 2.9 thể hiện sự qui đổi tương đương từ sơ đồ chuyển mạch có sự tham gia của sóng sin Trong bộ nghịch lưu, giá trị V1 là 0V và V2 là Vdc.

Hình 2 10: Sơ đồ tương đương mạch nghịch lưu hòa lưới trong một bán kì sóng điều khiển

Do đó khi điện áp bộ nghịch lưu chuyển từ 0V lên Vdc thì phương trình dòng điện có dạng:

Và khi điện áp chuyển từ Vdc xuống 0V thì phương trình dòng điện có dạng:

Trong một chu kỳ sóng mang, sự thay đổi dòng điện là không đáng kể khi xem xét hệ số góc của hai phương trình tuyến tính Kết hợp hai phương trình dạng sóng dòng điện trong bộ nghịch lưu hòa lưới, ta có thể kết luận rằng các hệ số góc của các phương trình này sẽ không thay đổi khi điện áp tăng từ 0 lên Vdc hoặc ngược lại Điều này cho thấy rằng nếu tổng thời gian đóng hoặc ngắt trong một chu kỳ sóng mang là giống nhau, thì giá trị dòng điện ở cuối chu kỳ sẽ bằng nhau, với cùng một giá trị dòng điện ban đầu.

Xét dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu khi có cùng Vdk và sóng tam giác bị lệch pha một góc cho trước

Trong cùng một chu kỳ, giá trị sóng điều khiển được coi là hằng số, trong khi sóng tam giác có thể bị lệch một góc bất kỳ Qua việc phân tích trực quan, chúng ta có thể chứng minh rằng tổng thời gian đóng (hay ngắt) khi dịch chuyển sóng tam giác đi một góc bất kỳ sẽ không thay đổi.

Hình 2 11: Hình minh họa cho chứng minh về thời gian đóng ngắt mạch điện IGBT trong một chu kì sóng mang tam giác

Sự lệch pha của sóng mang tam giác chỉ ảnh hưởng đến dạng sóng mà không làm lệch pha dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu Điều này có nghĩa là sự lệch pha này sẽ thay đổi giá trị của các nhiễu hài bậc cao nhưng không ảnh hưởng đến các giá trị dòng điện cơ bản.

Để tạo ra hai dòng điện có cùng dòng điện cơ bản và dòng điện hài bậc cao ngược nhau, cần thiết phải dịch sóng mang sao cho trạng thái đóng ngắt của hai bộ nghịch lưu là ngược nhau tối đa Khi xem xét các khoảng dịch sóng mang tam giác, có thể nhận thấy rằng việc dịch pha sóng mang sẽ tối ưu hóa thời điểm đóng ngắt các IGBT, từ đó làm tăng mức độ nhiễu hài bậc cao ngược nhau.

Trong bài luận văn này, phương pháp dịch pha sóng mang tam giác được áp dụng để giảm thiểu nhiễu hài bậc cao trong dũng điện ngừ ra.

SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB

Các khối khi mô phỏng trên Matlab

Hình 3 2: Sơ đồ khối của khối công suất

Hình 3 3: Sơ đồ kết nối giữa các bộ nghịch lưu với lưới điện phân phối bên trong khối công suất

Khối công suất là khối bao gồm hai bộ nghịch lưu và lưới điện phân phối liên kết với nhau như mô tả trong hình 3.3

Các bộ nghịch lưu kết nối với lưới điện phân phối thông qua cuộn dây L, với hai bộ nghịch lưu đấu song song và được điều khiển bởi hai contactor độc lập Các contactor này nhận tín hiệu từ bộ vi điều khiển, có chức năng cách ly giữa lưới điện và bộ nghịch lưu khi kết nối Việc đóng điện chỉ thực hiện sau khi bộ vi điều khiển đảm bảo đủ thông số điều khiển, cho phép bộ nghịch lưu bơm dòng điện lên lưới, với thời gian ước lượng khoảng 0.06 giây.

Bộ nghịch lưu được mô tả với các liên kết bên trong như hình 3.4, bao gồm một nguồn điện một chiều VDC đại diện cho năng lượng mặt trời Trong mô phỏng, nguồn điện áp có thể điều chỉnh giúp dễ dàng mô phỏng sự thay đổi của điện áp nguồn năng lượng mặt trời Mạch nghịch lưu một pha cầu H sử dụng 4 linh kiện chuyển mạch công suất IGBT với các tín hiệu đóng ngắt độc lập, trong khi nhiệm vụ chống hiện tượng trùng dẫn được xử lý bởi vi điều khiển Bốn IGBT này cũng hoạt động như bộ khóa mềm, ngăn không cho dòng điện bơm vào lưới điện phân phối khi cả 4 IGBT đều ngắt.

Hình 3 4: Sơ đồ kết nối bên trong bộ nghịch lưu

Nguồn điện lưới phân phối trong mạch được coi là nguồn điện xoay chiều hình sin Để dễ dàng trong việc mô phỏng, chúng ta sử dụng nguồn áp xoay chiều có điều khiển thay vì nguồn xoay chiều cố định như thường lệ.

3.1.2 Vi điều khiển và bộ trễ

Hình 3 6: Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển

Vi điều khiển là thiết bị nhận tín hiệu từ lưới điện như điện áp và tần số, cùng với thông tin từ nguồn pin năng lượng mặt trời và giá trị cuộn cảm L Dựa trên các giá trị đầu vào này, vi điều khiển thực hiện các phép tính để xác định thời gian trễ cần thiết và tạo ra tín hiệu điều khiển cho các khóa chuyển mạch công suất IGBT, từ đó đảm bảo hiệu suất tối ưu trong việc bơm dòng điện vào lưới điện phân phối.

Vi điều khiển thực hiện các công việc được giao thông qua giải thuật bên dưới:

Bộ vi điều khiển tiếp nhận tín hiệu đầu vào, trong đó dòng điện mà bộ nghịch lưu bơm vào lưới cần phải ổn định và công suất phản kháng phải đạt mức tối thiểu Để đảm bảo điều này, các phương trình 2.4 và 2.5 phải được thỏa mãn.

Từ phương trình 2.5 ta có:

Hình 3 7: Lưu đồ giải thuật cơ bản của vi điều khiển

Dựa trên giá trị tg() đã tính, ta xác định được góc lệch  giữa điện áp E và U Khi đó, cần lưu ý rằng điều kiện công suất phản kháng bơm vào lưới là tối thiểu, gần như bằng 0.

Cũng từ giá trị  tính được ở trên, để cho E sớm pha hơn U một góc  thì E phải chậm pha hơn U một góc 2   

Ta có thời gian trễ cho bộ trễ là:

Sau khi hoàn tất việc tính toán các giá trị Vdk, Vc1 và Vc2, bước tiếp theo là xác định các tín hiệu để đóng ngắt các khóa công suất trong các bộ nghịch lưu sử dụng phương pháp SPWM.

3.1.3 Khối tạo điều kiện làm việc: Để thuận tiện trong vấn đề mô phỏng mạch điện, ta sẽ tạo một hàm xử lí để có thể cho ra các tín hiệu điều khiển để có thể thay đổi giá trị điện áp nguồn năng lượng mặt trời, điện áp lưới điện phân phối và tần số của điện áp lưới điện phân phối Qua hàm xử lí này ta có thể tạo ra sự thay đổi các giá trị trên một cách dễ dàng và thuận lợi, đồng thời mạch điện sẽ được đơn giản hóa hơn việc dùng các CB để tạo sự thay

Sơ đồ khối trình bày tín hiệu vào ra của mạch mô phỏng, cho phép điều chỉnh các giá trị liên quan đến điện áp nguồn pin mặt trời, điện áp và tần số của lưới điện phân phối.

Việc chuyển từ sử dụng các nguồn cố định sang các nguồn điện áp có điều khiển không ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ thiết lập điều kiện ban đầu cho lưới điện với các giá trị Vdc1, f1, và vac = m1*sin(2*pi*f1*t).

Sau thời gian 0.4s thì sẽ có sự thay đổi điều kiện làm việc ứng với giá trị “cond” được tạo ra như sau:

- Với cond=1: Tần số lưới điện bị thay đổi từ f1 sang f2

- Với cond=2: Biên độ điện áp lưới điện thay đổi từ m1 sang giá trị m2

- Với cond=3: Giá trị điện áp nguồn năng lượng mặt trời thay đổi từ Vdc1 sang Vdc2

- Với cond=4: Giá trị điện áp nguồn năng lượng mặt trời và điện áp lưới điện phân phối cùng thay đổi

Bộ tạo điều kiện môi trường làm việc hoạt động theo chương trình bên dưới

Hình 3 9: Lưu đồ chương trình của khối tạo môi trường mô phỏng

Theo lưu đồ thuật toán trong bộ tạo môi trường làm việc, biến cond cho phép điều chỉnh điều kiện làm việc Khi thay đổi giá trị của cond khi thời gian mô phỏng vượt quá 0.4 giây, các thông số như điện áp nguồn pin mặt trời, điện áp và tần số lưới điện sẽ được điều chỉnh tương ứng.

3.1.4 Khối đo lường: Đây là khối thu nhận các tín hiệu điện từ các khối khác để tính toán và hiển thị lên các giá trị mà chúng ta cần khảo sát

Hình 3 11: Sơ đồ khối kết nối bên trong của bộ đo lường

Hình 3 10: Sơ đồ khối đo lường

Như hình mô tả chung về khối đo lường, các giá trị được ghi nhận và hiển thị là:

Các thông số đầu vào quan trọng bao gồm điện áp nguồn năng lượng mặt trời (Vdc), biên độ điện áp lưới (u), giá trị điện áp tức thời (Vac), tần số điện áp trên lưới điện (f) và giá trị điện áp điều khiển (Vdk) Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và ổn định của hệ thống năng lượng mặt trời.

- Các giá trị tính toán và điều khiển: Thời gian trễ Td, góc lệch pha  giữa U và E và giá trị tang của góc đó

Các thông số đo được từ tai đầu ra của bộ nghịch lưu bao gồm dòng điện bơm vào lưới của từng bộ và dòng điện tổng từ cả hai bộ, cũng như công suất tác dụng và công suất phản kháng của từng bộ nghịch lưu Tổng công suất mà cả hai bộ bơm vào lưới điện cũng được ghi nhận.

Các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab

Sóng mang có tần số cao giúp giảm tổng độ méo dạng sóng hài, nhưng đồng thời cũng làm tăng tổn thất công suất khi đóng cắt các chuyển mạch công suất Để giảm tổn thất công suất đóng ngắt IGBT, luận văn này sẽ sử dụng sóng mang tam giác tần số 1KHz Việc giảm hao hụt hiệu suất tổng méo dạng sóng hài sẽ được thực hiện thông qua giải thuật giảm nhiễu hài đã đề cập ở chương 2.

3.2.1 Mô phỏng khi bơm dòng điện không đổi vào lưới điện khi các điều kiện bên ngoài không thay đổi (U"0V,fPHz,VdcH0V)

Khi mô phỏng việc bơm dòng điện không đổi vào lưới điện phân phối, bài viết nhằm chứng minh tính hiệu quả của giải thuật đã đề xuất So sánh giữa việc sử dụng một bộ nghịch lưu và hai bộ nghịch lưu nối song song sẽ làm rõ những lợi ích và hiệu suất của từng phương pháp trong việc cải thiện hoạt động của lưới điện.

3.2.1.1 Khi muốn bơm dòng điện hiệu dụng 20A vào lưới điện: a Khi dùng hai bộ nghịch lưu

Với giá trị dòng điện nhập vào ban đầu là 20A hiệu dụng, ta sẽ thu được các kết quả như sau:

Hình 3 12: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng

Hình 3 13: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một chu kì điện áp lưới điện phân phối

Hình 3 14: Đồ thị phân tích FFT cho dòng điện tổng bơm vào lưới điện

Hình 3 15: Đồ thị khi phân tích FFT cho dòng điện của bộ nghịch lưu thứ nhất bơm vào lưới điện

Hình 3 16: Đồ thị khi phân tích FFT cho dòng điện của bộ nghịch lưu thứ hai bơm vào lưới điện

Hình 3 17: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm vào lưới điện phân phối

Hình 3 18: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ nhất bơm vào lưới điện phân phối

Hình 3.19 minh họa đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ hai khi bơm vào lưới điện phân phối Việc sử dụng một bộ nghịch lưu giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và cải thiện chất lượng điện năng trong hệ thống phân phối.

Khi dùng một bộ nghịch lưu để bơm dòng điện vào lưới điện, ta thu được các kết quả:

Hình 3 20: Đồ thị dòng điện của bộ nghịch lưu bơm vào lưới điện

Hình 3 21: Đồ thị dòng điện bơm vào lưới điện trong một chu kì điện áp lưới điện

Hình 3 22: Đồ thị phân tích FFT cho dòng điện bơm vào lưới điện

Hình 3 23 Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dòng điện bơm vào lưới điện

3.2.1.2 Khi bơm dòng điện 30A hiệu dụng vào lưới điện phân phối: a Khi dùng hai bộ nghịch lưu nối song song:

Ta thu được các kết quả như sau:

Hình 3 25: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một chu kì điện áp lưới điện phân phối

Hình 3 26 Đồ thị phân tích FFT cho dòng điện tổng bơm vào lưới điện

Hình 3 27: Đồ thị khi phân tích FFT cho dòng điện của bộ nghịch lưu thứ nhất bơm vào lưới điện

Hình 3 28: Đồ thị khi phân tích FFT cho dòng điện của bộ nghịch lưu thứ hai bơm vào lưới điện

Hình 3 29: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dòng điện tổng bơm vào lưới điện phân phối

Bộ nghịch lưu thứ hai bơm vào lưới điện phân phối, thể hiện qua đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng, cho thấy sự hiệu quả trong việc điều chỉnh năng lượng Khi sử dụng một bộ nghịch lưu, hệ thống có khả năng tối ưu hóa công suất, đảm bảo cung cấp điện năng ổn định và hiệu quả cho lưới điện.

Hình 3 32 Đồ thị dòng điện của bộ nghịch lưu bơm vào lưới điện

Hình 3 35 Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm vào lưới điện

Qua các thí nghiệm mô phỏng với nguồn không đổi, việc so sánh giữa một bộ nghịch lưu đơn và hai bộ nghịch lưu nối song song cho thấy hiệu quả trong việc bơm cùng một dòng điện vào lưới điện phân phối.

Phân tích FFT của dòng điện cho thấy rằng chỉ với một bộ nghịch lưu, chỉ số THD đã giảm gần 2 lần khi áp dụng cả hai phương pháp.

Khi xem xét tổn thất công suất của các linh kiện chuyển mạch công suất, ta thấy rằng tổn thất này tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện Do đó, khi sử dụng hai bộ nghịch lưu để chia đôi dòng điện bơm vào lưới điện, tổn thất công suất sẽ giảm xuống một nửa so với việc chỉ dùng một bộ nghịch lưu, cụ thể là (1/2)² x 2 = 1/2 Như vậy, việc sử dụng hai bộ nghịch lưu giúp giảm thiểu tổn thất công suất hiệu quả.

Mỗi bộ nghịch lưu có khả năng cung cấp dòng điện giống nhau cho lưới điện Khi kết nối song song hai bộ nghịch lưu, công suất tổng của hệ thống sẽ tăng gấp đôi.

Hiệu suất của bộ nghịch lưu hòa lưới đã được cải thiện đáng kể nhờ áp dụng giải thuật nối song song hai bộ nghịch lưu Tất cả các yêu cầu trong việc xây dựng bộ nghịch lưu hòa lưới đều đã được đáp ứng một cách hiệu quả.

- Công suất tác dụng và phản kháng bơm vào lưới điện rất ổn định

- Công suất hản kháng bơm vào lưới rất nhỏ so với công suất tác dụng bơm vào lưới điện phân phối

- Hệ số công suất bơm vào lưới điện phân phối đạt trên 0.98 Đây là một hiệu suất cao

- Dòng điện luôn bám sát điện áp lưới điện trong suốt quá trình mô phỏng

3.2.2 Khi có sự thay đổi biên độ điện áp trên lưới điện phân phối với điện áp pin mặt trời 480VDC và tần số lưới điện 50Hz

Từ nay, chúng ta sẽ phân chia thời gian thành hai giai đoạn: trước sự cố, khi các điều kiện môi trường như điện áp nguồn pin mặt trời Vdc, biên độ điện áp và tần số điện áp lưới điện không thay đổi, và sau sự cố, khi có sự thay đổi trong các điều kiện này Trong giai đoạn này, tổng dòng điện bơm vào lưới sẽ đạt 30A, với mỗi bộ nghịch lưu cung cấp 15A vào lưới điện phân phối.

3.2.2.1 Khi điện áp lưới điện giảm từ 220V xuống còn 180V

Hình 3 36 Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng

Hình 3 37: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố

Hình 3 38: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố

Hình 3 41: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ hai bơm vào lưới điện phân phối

3.2.2.2 Khi điện áp lưới điện tăng từ 220V lên đến 260V

Qua các thí nghiệm mô phỏng, chúng ta nhận thấy rằng sự thay đổi biên độ điện áp lưới điện ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện và công suất của bộ nghịch lưu bơm vào lưới điện phân phối Cụ thể, khi điện áp lưới thay đổi, dù là tăng hay giảm, sẽ dẫn đến sự biến đổi tương ứng trong các thông số này.

Sau 2 đến 3 chu kỳ điện áp lưới, dòng điện bơm vào lưới sẽ được phục hồi, với hệ số công suất đạt từ 0.98 đến 0.99 Dòng điện này luôn bám sát điện áp lưới, trong khi công suất phản kháng Q bơm vào lưới rất nhỏ so với công suất tác dụng P Phân tích dạng sóng dòng điện bơm vào lưới điện phân phối và hai dòng điện của từng bộ nghịch lưu cho thấy giải thuật triệt nhiễu hoạt động hiệu quả.

3.2.3 Khi có sự thay đổi tần số điện áp trên lưới điện phân phối với điện áp pin mặt trời 480VDC và điện áp lưới điện 220V hiệu dụng

3.2.3.1 Khi tần số lưới điện giảm từ 50 Hz xuống 48Hz

Hình 3 52: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dòng điện của bộ nghịch lưu thứ nhất bơm vào lưới điện phân phối

Hình 3 53: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dòng điện của bộ nghịch lưu thứ hai bơm vào lưới điện phân phối

3.2.3.2 Khi tần số lưới điện tăng từ 50 Hz lên 52Hz

Hình 3 58: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dòng điện của bộ nghịch lưu thứ nhất bơm vào lưới điện phân phối

Hình 3 59: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dòng điện của bộ nghịch lưu thứ hai bơm vào lưới điện phân phối

Khi tần số điện áp lưới điện phân phối thay đổi, dòng điện bơm vào lưới vẫn duy trì ổn định và luôn bám sát điện áp lưới Công suất phản kháng của bộ nghịch lưu rất nhỏ, dẫn đến hệ số công suất đạt 0.98 Dù có sự thay đổi tần số điện áp, thuật toán giảm nhiễu cho bộ nghịch lưu khi hòa đồng bộ với lưới điện vẫn đáp ứng yêu cầu, như thể hiện qua dạng sóng dòng điện ngõ ra.

Khi phân tích đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng trong các dòng điện với sự thay đổi tần số, có thể nhận thấy sự không ổn định của các công suất này Tuy nhiên, thực tế cho thấy lý do chính của sự không ổn định này là do bộ đo yêu cầu nhập giá trị tần số trước, thường là 50Hz Khi tần số thay đổi, việc tính toán công suất bị ảnh hưởng, dẫn đến kết quả không chính xác Ngược lại, khi mô phỏng với tần số đúng sau sự cố, công suất ngõ ra của bộ nghịch lưu vẫn duy trì ổn định Điều này cho thấy vấn đề chủ yếu là do thiếu công cụ phù hợp để biểu diễn chính xác sự thay đổi của công suất trong các trường hợp có thay đổi tần số.

3.2.4 Khi có sự thay đổi điện áp nguồn pin mặt trời với điện áp lưới điện 220V hiệu dụng và tần số điện áp lưới 50Hz

3.2.4.1 Khi dòng điện áp nguồn năng lượng mặt trời giảm từ 480Vdc xuống còn 440V

3.2.4.2 Khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời tăng từ 480Vdc lên đến 520V

3.2.5 Khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện phân phối đều thay đổi

3.2.5.1 Khi điện áp lưới điện giảm từ 220V xuống 180V và điện áp nguồn điện pin mặt trời giảm từ 480V xuống 440V

3.2.5.2 Khi điện áp lưới điện giảm từ 220V xuống 180V và điện áp nguồn điện pin mặt trời tăng từ 480V lên 520V

3.2.5.3 Khi điện áp lưới điện tăng từ 180V lên 260V và điện áp nguồn điện pin mặt trời giảm từ 520V xuống 440V

3.2.5.4 Khi điện áp lưới điện tăng từ 180V lên 260V và điện áp nguồn điện pin mặt trời tăng từ 480V lên 520V

Qua các thí nghiệm mô phỏng với sự thay đổi điện áp lưới điện phân phối và điện áp nguồn pin mặt trời, chúng tôi nhận thấy rằng dòng điện bơm vào lưới điện sẽ phục hồi sau hai đến ba chu kỳ điện áp lưới Dòng điện này luôn bám sát điện áp lưới và công suất phản kháng bơm vào lưới gần bằng 0 Hệ số công suất duy trì ở mức từ 0.98 đến 0.995, trong khi độ nhiễu hài của dòng điện bơm vào lưới thấp hơn nhiều so với dòng điện từng thành phần Điều này cho thấy hiệu quả của giải thuật vẫn đạt được khi điện áp lưới và điện áp nguồn pin mặt trời cùng thay đổi.

Nhận xét

Qua nhiều thí nghiệm mô phỏng của bộ nghịch lưu kết nối với điện cho thấy

1 Công suất phản kháng luôn xấp xỉ bằng 0 khi dòng điện ở trạng thái ổn định

Hệ số công suất luôn gần bằng 1 Kết quả này tốt hơn kết quả của giải thuật

Việc điều khiển dòng điện và hệ số công suất không chỉ phụ thuộc vào góc lệch giữa E và U mà còn liên quan đến giá trị điện áp của lưới, theo công thức (2.5) Sử dụng sóng sin của điện áp lưới làm sóng điều khiển đã giúp khắc phục những khó khăn mà phương pháp tại [2] gặp phải.

2 Giá trị dòng điện bơm vào lưới không thay đổi khi điện áp, tần số lưới thay đổi và ngay cả khi điện áp Vdc của bộ pin mặt trời thay đổi Điều này cho thấy tính hiệu quả của giải thuật điều khiển

3 Thời gian quá độ giữa sự biến động các thông số từ 2 đến 3 chu kỳ cho thấy tính đáp ứng nhanh của giải thuật điều khiển so với [1]

4 Khi có các điều kiện bên ngoài tác động đến các yếu tố hòa lưới điện như sự thay đổi điện áp nguồn pin mặt trời, điện áp và tần số lưới điện phân phối thì dòng điện bơm vào lưới điện vẫn bám sát lưới điện và dòng điện này luôn có THD nhỏ hơn so với từng dòng điện mà mỗi bộ nghịch lưu bơm vào lưới điện.

Tiêu đề	Thiết Kế Bộ Chuyển Đổi Năng Lượng Mặt Trời Hòa Đồng Bộ Lưới Điện Quốc Gia
Tác giả	Phạm Quốc Khanh
Người hướng dẫn	TS. Trương Việt Anh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Thiết Bị, Mạng Và Nhà Máy Điện
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2013
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	5,95 MB