Điện tử công suất ứng dụng năng lượng tái tạo. (Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời)

Slide 1 ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG CHO NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CHÀO MỪNG THẦY VÀ CÁC ANHCHỊ ĐẾN VỚI BUỔI THUYẾT TRÌNH CỦA NHÓM 1 Danh sách thành viên nhóm 1 Tạ Hoàng Anh Tô Quốc Bảo Nguyễn Hoài Nam Hồ Phư.

CHÀO MỪNG THẦY VÀ CÁC ANH/CHỊ ĐẾN VỚI BUỔI THUYẾT TRÌNH CỦA NHÓM 1

Danh sách thành viên nhóm 1:

1. Tạ Hoàng Anh

2. Tô Quốc Bảo

3. Nguyễn Hoài Nam

4. Hồ Phước Lợi

5. Huỳnh Quốc Lợi

6. Lê Minh Bảo Toàn

HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI CHƯƠNG II

• 2.1 Giới thiệu.

• 2.4 Điều khiển hệ thống PV hòa lưới.

2.1 GIỚI THIỆU:

• Năng lượng mặt trời (PV) được hòa lưới là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất và có triển vọng nhất trên thế giới

công suất lắp đặt), và hiện nay theo thống kê trên thế giới đã có gần 1000GW công suất

đã lắp đặt

Biểu đồ công suất năng lượng mặt trời tích lũy toàn cầu giai đoạn 2016 - 2020 và dự báo giai đoạn 2021 - 2025

2.1 GIỚI THIỆU:

• Lý do chính cho sự phát triển đáng chú ý này:

1. Chi phí lắp đặt các module PV ngày càng thấp.

2. Giá nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng, trữ lượng có hạn và những vấn đề về môi trường xoay

quanh việc khai thác chúng.

• Tổng quan hệ thống PV:

– Điện tử công suất đóng một vai trò cơ bản như một công nghệ cho phép điều khiển hệ thống

PV hiệu quả.

– Các giai đoạn chuyển đổi công suất của hệ thống PV:

Bộ lọc đầu vào → Bộ chuyển đổi DC-DC(theo dõi MPPT – công suất tối đa) → Bộ chuyển đổi DC-AC nối lưới( bộ nghịch lưu PV).

2.1 GIỚI THIỆU:

Hình 2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lượng PV

• Module PV bao gồm nhiều tế bào PV nối tiếp.

• Cấu tạo tế bào PV: 2 lớp silicon có cấu tạo khác nhau, tạo tiếp giáp kiểu p-n

• Nguyên lý hoạt động: tế bào PV hoạt động dựa trên nguyên tắt quang điện, hạt photo tiếp xúc với bề mặt silicon giải phóng electron tự do sẽ bị quét về phía n tạo ra dòng điện 1 chiều

→ Bức xạ mặt trời càng lớn → số lượng hạt photon càng nhiều → cường độ dòng điện càng lớn

2.2.1 Mô hình điện của một tế bào PV:

• Các đặc tính của module hoặc tế bào PV là phi tuyến tính và phụ thuộc nhiều vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ

Hình 2.3

• Mô hình của Hình 2.3 có thể được mô tả bằng toán học bởi Kishor et al:

2.2.1 Mô hình điện của một tế bào PV:

• Công suất tạo ra bởi tấm pin là mối liên hệ của điện áp và dòng điện được sản sinh bởi các PV module.

khi ngắn mạch giúp đánh giá trạng thái làm việc của PV module.

• Có thể xác định vị trí của công suất cực đại Mpp dựa trên đường cong I-V.

2.2.2 Module quang điện I-V và P-V:

1. Cường độ bức xạ mặt trời.

2. Ảnh hưởng nhiệt độ.

2.2.2 Module quang điện I-V và P-V:

1. Ảnh hưởng bức xạ mặt trời:

Bức xạ mặt trời tăng → Dòng tăng → Công suất tối đa tăng.

Điện áp thay đổi ít với sự thay đổi của bức xạ.

2 Ảnh hưởng nhiệt độ:

Nhiệt độ tăng → Điện áp giảm → Công suất tối đa giảm.

Dòng điện rất ít thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.

2.2.3 MPP dưới bóng một phần:

nguyên nhân chính làm giảm năng suất của chuỗi và mảng PV.

không chỉ làm giảm sản xuất năng lượng mà còn làm giảm tuổi thọ của module.

Hình 2.5 minh họa một ví dụ định tính về ảnh hưởng của việc che bóng một phần trên các đường cong I-V của chuỗi PV.

2.2.3 MPP dưới bóng một phần:

để trong trường hợp che bóng một phần, dòng điện đi qua diode chỉ dẫn đến giảm điện áp bán dẫn

• Hệ thống PV hòa lưới có thể được nhóm thành bốn loại cấu hình khác nhau:

1. Cấu hình tập trung cho các nhà máy PV quy mô lớn (3 phase).

2. Cấu hình chuỗi cho các hệ thống PV quy mô vừa và nhỏ (1phase và 3phase).

3. Cấu hình đa chuỗi cho các hệ thống quy mô nhỏ đến lớn (1 phase và 3 phase).

4. Cấu hình module AC cho các hệ thống quy mô nhỏ (thường là 1 phase).

2.3 Cấu hình hệ thống PV hòa lưới:

• Cấu hình tập trung:

 Chuỗi các module PV ghép song song cấu thành hệ thống PV.

 Sử dụng 1 bộ nghịch lưu trung tâm nguồn điện 3phase(VSI) kết nối một phần hoặc toàn bộ nhà máy hoặc một phần với lưới điện.

 Áp dụng rộng rãi nhất cho các nhà máy PV quy mô lớn.

• Cấu hình chuỗi:

 Sử dụng 1 bộ biến tần cho mỗi chuỗi PV.

 Áp dụng rộng rãi cho các hệ thống PV quy mô vừa và nhỏ như hệ thống áp mái.

2.3 Cấu hình hệ thống PV hòa lưới:

• Cấu hình đa chuỗi:

 Kết hợp giữa cấu hình tập trung và cấu hình chuỗi.

 Áp dụng rộng rãi cho các hệ thống PV quy mô vừa và nhỏ, gần đây cũng được áp dụng cho các nhà máy PV quy

mô lớn.

• Cấu hình AC:

 Mỗi module PV được nối với một biến tần riêng biệt gọi là vi nghịch lưu.

 Áp dụng cho hệ thống PV quy mô nhỏ.

2.3 Cấu hình hệ thống PV hòa lưới:

Tóm tắt các đặc điểm cấu hình hệ thống PV nối lưới

• Cấu hình trung tâm là hệ thống PV được áp dụng rộng rãi nhất cho các nhà máy PV quy

mô lớn

viên năng lượng mặt trời Olmedilla de Alarcon ở Tây Ban Nha với công suất lắp đặt cao

nhất là 60 MW đến nay Bhadla Solar Park ở Ấn Độ là nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới với tổng công suất 2245 MW.

2.3.1 Cấu hình tập trung:

Bhadla Solar Park 2245MW, diện tích: 160km2, chi phí: 1,3 tỉ USD

Trung Nam Thuận Bắc 450 MW, diện tích 557,09ha 1,4 triệu tấm pin, chi phí: 12000 tỉ VND

2.3.1 Cấu hình tập trung:

• Cấu hình biến tần trung tâm điển hình dựa trên biến tần nguồn điện áp hai cấp:

• Các module PV được kết nối nối tiếp để tạo thành chuỗi, lần lượt được kết nối song song để tạo

thành một mảng kết nối với biến tần trung tâm.

• Chức năng cơ bản của biến tần là thực hiện chuyển đổi DC – AC từ nguồn DC PV sang lưới

điện xoay chiều ba pha.

• Biến tần được kết nối với lưới điện thông qua một bộ lọc lưới điện cảm ứng và một máy biến áp

LF để đi từ LV đến MV nhằm giảm tổn thất khi truyền năng lượng PV vào lưới.

Một nhược điểm khác là cáp DC dài từ các dây nằm cách xa biến tần Tuy nhiên, chi phí thấp, khả năng tập trung một nhà máy PV lớn và cấu trúc đơn giản đã làm cho cấu hình này được áp dụng nhiều nhất trong các nhà máy PV quy mô lớn.

2.3.1 Cấu hình tập trung:

Nhà máy PV điển hình dựa trên cấu hình biến tần trung tâm

• Các bộ biến tần trung tâm được đặt bên cạnh một máy biến áp LV đến MV để nâng cao điện áp của thanh cái của nhà máy PV (thường nằm trong khoảng từ 2,3 đến 35 kV) Sau

đó, điện của nhà máy PV được truyền đến một trạm biến áp nơi có một máy biến áp nâng điện áp từ trung áp lên cao áp để truyền tải điện năng

2.3.1 Cấu hình tập trung:

• Khi các trang trại PV ngày càng lớn hơn, ngành công nghiệp biến tần PV đã giới thiệu bộ biến

tần trung tâm kép, về cơ bản là hai bộ biến tần được kết nối với thanh cái PV AC thông qua một máy biến áp 12 xung.

• Định mức công suất của bộ biến tần trung tâm lớn nhất (800 kW), một số nhà sản xuất cung cấp bộ biến tần trung tâm có công suất lên đến 1,6 MW, thực tế đó là bộ biến tần trung tâm kép bao gồm hai bộ biến tần trung tâm 800 kW.

2.3.2 Cấu hình chuỗi:

• Biến tần chuỗi là phiên bản rút gọn của biến tần trung tâm, nghĩa là thay vì mảng PV với các

chuỗi được kết nối song song, các chuỗi được kết nối thông qua một biến tần gắn lưới chuyên dụng.

• Hệ thống chỉ giao tiếp một chuỗi PV duy nhất, phù hợp kết nối lưới điện một pha và công suất thấp và hệ thống này phổ biến cho các hệ thống trong nước quy mô nhỏ (điển hình là điện mặt trời áp mái).

• Tùy thuộc vào quốc gia và tiêu chuẩn kết nối lưới điện bộ biến tần có thể có hoặc không

yêu cầu liên kết với biến áp Điều này có thể dẫn đến giảm chi phí, các bộ biến tần nhỏ gọn hơn và hiệu quả hơn

2.3.2 Cấu hình chuỗi:

• Tuy nhiên, hoạt động không có máy biến áp cũng yêu cầu thiết kế cẩn thận hơn về cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi và sơ đồ điều chế, vì chế độ chung được chuyển mạch điện áp dẫn đến nguy cơ rò rỉ dòng nối đất cao

Điện dung được hình thành giữa các lớp dẫn điện và dòng điện rò rỉ trong hệ thống PV không máy biến áp: (a) điện dung phát sinh và (b) đường dẫn dòng điện rò.

• Ưu điểm của cấu hình này là mạch nguồn đơn giản, cách ly điện và độ cao điện

áp do máy biến áp cung cấp, cho phép phạm vi điện áp đầu vào lớn hơn.

hơn, mật độ công suất thấp hơn, hệ số công suất không thống nhất.

• Cả hai phiên bản của biến tần chuỗi cầu H, có và không có biến áp LF, có thể được tìm thấy với một giai đoạn DC-DC tăng cường bổ sung Mục đích chính của bộ chuyển đổi tăng cường là nâng cao điện áp chuỗi PV.

• Tuy nhiên, các giai đoạn chuyển đổi bổ sung gây ra sự phức tạp trong thiết kế, tổn thất

cao hơn, chi phí cao hơn và độ tin cậy thấp hơn

2.3.2 Cấu hình chuỗi:

ứng dụng thực tế cho bộ biến tần

• Ưu điểm chính của bộ chuyển đổi này là chất lượng điện năng cao và hiệu quả

• Hạn chế chính là sự không đối xứng trong điện áp chặn giữa các thiết bị và sơ đồ điều khiển phức tạp hơn

Hình 2.16: Bộ nghịch lưu chuỗi dựa trên cầu H xếp tầng

với điện áp liên kết DC không bằng nhau

2.3.3 Cấu hình nhiều chuỗi:

PV duy nhất vào lưới Do đó, chỉ có thể có một MPPT cho mảng hoặc chuỗi tương ứng

• Để tạo ra tính linh hoạt hơn trong thiết kế hệ thống PV, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của việc che bóng một phần và sự không phù hợp modue, khái niệm đa chuỗi đã được đưa ra

• Cấu hình đa chuỗi về cơ bản là cấu hình trung tâm hai giai đoạn với đặc thù là nó

có nhiều hơn một giai đoạn DC – DC (thường là từ 2 đến 4)

riêng lẻ) và biến tần trung tâm (chi phí thấp).

2.3.3 Cấu hình nhiều chuỗi:

Bảng 2.6: Các ví dụ về biến tần đa chuỗi thương mại

• Sự khác biệt chính giữa cấu hình nhiều chuỗi và cấu hình trung tâm và chuỗi là nhiều giai đoạn DC – DC được kết nối song song với liên kết DC

• Bộ nghịch lưu đa chuỗi đầu tiên được giới thiệu là bộ nghịch lưu bán cầu với bộ chuyển đổi tăng áp trong giai đoạn DC – DC Những loại khác đã theo sau bao gồm cầu H, bộ chuyển đổi H5, VSI ba pha hai cấp, 3L-NPC và bộ chuyển đổi loại T ba pha ba cấp (3L-T)

2.3.3 Cấu hình nhiều chuỗi:

(a) 3 pha 2L-VSI với mức tăng do Steca đề xuất

(b) 3L-NPC ba pha với mức tăng được sử dụng bởi Danfoss

(c) Biến tần cầu H với DC tần số cao –DC giai đoạn được sử dụng bởi Fronius và Danfoss

• Cấu hình mô-đun AC sử dụng một bộ chuyển đổi nối lưới chuyên dụng cho mỗi mô-đun

2.3.4 Cấu hình mô-đun AC:

Hình 2.18: Hệ thống PV mô-đun AC dựa trên bộ chuyển đổi

• Một bộ chuyển đổi tích hợp mô-đun AC thương mại khác, bao gồm một giai đoạn cầu H cộng hưởng với một biến áp cách ly HF và một bộ chỉnh lưu cầu diode làm bộ chuyển đổi DC-DC.

Hệ thống PV mô-đun AC dựa trên bộ chuyển đổi DC-DC HF

cầu H cộng hưởng và bộ nghịch lưu cầu H

2.3.4 Cấu hình mô-đun AC:

• Mặc dù khái niệm về bộ biến tần tích hợp module đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ, nhưng cấu hình này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi

• Lý do là chi phí trên mỗi watt và hệ thống điều khiển giữa tất cả các mô-đun cao hơn rất nhiều (nhiều cảm biến, bệ điều khiển, bộ truyền động cổng, chất bán dẫn, v.v.)

• Mặc dù có khả năng MPPT tốt nhất trong tất cả các cấu hình, nó có hiệu suất bộ chuyển đổi điện thấp hơn do tần số chuyển đổi cao và tỷ lệ nâng điện áp lớn hơn cần thiết cho kết nối lưới.

• Tuy nhiên, khái niệm này có thể được lợi ích từ các thiết bị bán dẫn mới, nhanh hơn và

hiệu quả hơn (SiC và GaN) và có tầm quan trọng hơn trong tương lai

2.4 Điều khiển hệ thống PV hòa lưới:

đoạn chuyển đổi nguồn (DC – DC và DC – AC) và các cấu trúc liên kết chuyển đổi khác nhau

• Mục tiêu điều khiển chính là:

2.4.1 Phương pháp điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa:

• Các đường cong công suất của các module PV thể hiện vị trí công suất cực đại(MPP) của

hệ thống PV MPP phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của module

được thực hiện tuyến tính và được cập nhật định kỳ theo thời gian, chúng được gọi là phương pháp theo dõi MPP (MPPT)

• Thuật toán Hill-climbing là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong thực tế do sự đơn giản trong triển khai và theo dõi hiệu quả của MPP.

• Thuật toán thực hiện bằng cách thay đổi điện áp tham chiếu và sau đó đo phản ứng của hệ thống để xác định hướng của nhiễu loạn tiếp theo Các nhiễu loạn điện áp tham chiếu được thực hiện theo hướng mà công suất sẽ tăng lên

2.4.1.1 Thuật toán gây nhiễu và quan sát (Perturb and Observe):

Hình 2.21: Thuật toán P&O

Đường cong công suất P-V

2.4.1.1 Thuật toán gây nhiễu và quan sát (Perturb and Observe):

• Phương pháp này tương tự như thuật toán P&O và được đề xuất cho các điều kiện môi trường thay đổi nhanh chóng.

trong đó độ dốc của đường cong là dương ở phía bên trái, âm ở phía bên phải và bằng không ở đỉnh.

2.4.1.2 Thuật toán độ dẫn tăng dần:

• Khi đó công suất cực đại đạt được khi đạo hàm lũy thừa bằng 0; vì thế:

•  

• Mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp mạch hở (voc) và điện áp MPP (vmp) đối với các

điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau Mối quan hệ tuyến tính này có thể được mô tả bằng:

vmp = k1 voc , với k1 < 1

trong tài liệu là từ 0,71 đến 0,8

2.4.1.3 Phương pháp điện áp mạch hở phân đoạn:

xuyên cần thiết để đo voc gây ra tổn thất điện năng.

• Phương pháp này dựa trên phương pháp điện áp hở mạch Thay vào đó, dòng

điện MPP được tính thông qua quan hệ tuyến tính với isc dòng ngắn mạch trong

các điều kiện môi trường khác nhau.

imp = k2 isc cho k2 <1

khoảng từ 0,78 đến 0,92.

2.4.1.4 Phương pháp dòng ngắn mạch phân đoạn:

thất điện năng trong quá trình đo là nhược điểm lớn nhất của phương pháp này.

• Chức năng chính của giai đoạn DC – DC là tạo ra sự phân tách giữa hai điện áp DC, do

đó có thể xác định điện áp MPP ở đầu ra của hệ thống PV và không cần tham chiếu điện

áp liên kết DC ở đầu vào của bộ nghịch lưu nối lưới

với các yêu cầu điện áp liên kết DC cho kết nối lưới

2.4.2 Điều khiển bộ chuyển đổi giai đoạn DC – DC:

• Sơ đồ điều khiển có thể thay đổi từ cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi DC – DC này sang cấu trúc liên kết khác và cũng khác nhau tùy thuộc vào phương pháp điều khiển

Hình 2.24: Sơ đồ khối điều khiển giai đoạn bộ chuyển đổi DC – DC

• Bất kỳ thuật toán MPPT dựa trên điện áp nào cũng có thể được sử dụng để tạo ra điện

2.4.2 Điều khiển bộ chuyển đổi giai đoạn DC – DC:

• Lưu ý rằng điều kiện cần thiết để bộ chuyển đổi tăng cường hoạt động và để kiểm soát hiệu quả dòng điện cảm tăng cường là điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào (vDC> vPV)

• Ở trạng thái ổn định, bộ điều khiển sẽ giải quyết chu kỳ làm việc của bộ chuyển đổi, đáp

ứng điều kiện chuyển đổi điện áp

• Chức năng chính của bộ nghịch lưu nối lưới là đồng bộ hóa lưới điện và điều khiển dòng công suất phản kháng, nói cách khác là điều khiển dòng điện lưới và điện áp tụ điện liên kết DC.

• Sơ đồ điều khiển được sử dụng phổ biến nhất cho bộ biến tần nối lưới ba pha là điều

khiển hướng theo điện áp (VOC) và điều khiển công suất trực tiếp (DPC), hầu hết các biến tần nối lưới được điều khiển bằng VOC

2.4.2 Điều khiển bộ chuyển đổi giai đoạn DC – DC:

Hình 2.25: Điều khiển hướng điện áp (VOC) cho bộ nghịch lưu PV nối lưới ba pha

• Các hệ thống PV nối lưới có thể phát ngược công suất vào lưới điện nếu chúng bị ngắt kết nối khỏi lưới điện, ví dụ trong sự cố lưới điện.

cấp cho các phụ tải cục bộ.

2.4.4 Phát hiện dòng phát ngược:

Hình 7.29 Hệ thống phát điện phân tán PV kết nối lưới với tải cục bộ: (a) hoạt động bình thường và (b) hoạt động phát ngược

• Hoạt động phát ngược có thể gây ra rủi ro nghiêm trọng trong công tác bảo trì sửa chữa lưới điện, vì các đường dây vẫn được cung cấp năng lượng.

• Nó cũng có thể làm hỏng tải cục bộ vì điện áp và tần số có thể khác với giá trị danh định

• Khi nối lại lưới điện, biến tần của hệ thống PV rất có thể sẽ bị mất đồng bộ, gây hỏng bộ biến đổi và các tải cục bộ do lệch pha giữa điện áp

2.4.4 Phát hiện dòng phát ngược:

• Vì lý do này, tiêu chuẩn kết nối lưới của hệ thống PV yêu cầu ngắt kết nối và ngừng phát điện khi phát hiện tình trạng phát ngược

• Phương pháp phát hiện phát ngược có thể được phân loại thành ba loại:

Bằng bộ chuyển đổi nguồn(Converter)

Bổ sung vào hệ thống nguồn(chèn trở kháng bên ngoài)

Phát hiện bởi trung tâm vận hành lưới.