tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế điều KHIỂN hệ THỐNG điện sử DỤNG NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI hòa lưới điện QUỐC GIA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---*****---DƯƠNG QUỲNH NGA THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN... Sau 2 năm được đào tạo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-***** -DƯƠNG QUỲNH NGA

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Vào 8 giờ 00 phút ngày 28 tháng 07 năm 2013.

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên

và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

1

MỞ ĐẦU

Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, antoàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phầnthay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đâyđược coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạnkiệt Gần đây số lượng các hệ thống phát năng lượng mặt trời tăng nhanh dẫn tới hình thành sự cungcấp điện dịch vụ mới và đạt tiêu chuẩn ứng với nguồn năng lượng sạch Đặc biệt, việc chuyển điệnnăng từ nguồn năng lượng mặt trời vào nguồn điện lưới sẽ làm giảm chỉ số tiêu thụ điện từ lưới chomỗi đơn vị sử dụng Công nghệ này cho ta khả năng khai thác hiệu quả tài nguyên đóng góp trực tiếpvào các nguồn cung cấp phân bố trên diện rộng dựa trên mạng lưới điện quốc gia

Sau 2 năm được đào tạo thạc sỹ tạo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, tôi đã được giao đề

tài luận văn tốt nghiệp là “Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới

điện quốc gia”.

Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viêncủa các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến

PGS.TS Lại Khắc Lãi, người đã luôn quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong

suốt quá trình thực hiện luận văn Chân thành cảm ơn thầy

Do kiến thức còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót Kính mongnhận được các ý kiến chỉ bảo của các thầy cô giáo và của bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoànthiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 29 tháng 07 năm

2013

Học viên

Dương Quỳnh Nga

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Nội dung chính của luận văn được cấu trúc gồm 3 chương:

Chương I: Tìm hiểu về năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng

1.1 Nguồn năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiênban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạokhác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời cóthể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng

và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt trái

đất

1.1.1 Cấu trúc của mặt trời

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành

hai phần chính: phần phía trong và phần khí quyển bên

ngoài (hình 1.1) Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3

miền và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện.

Còn phần bên trong của nó cũng có thể chia thành 3

lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt

trời Một số thông số của các lớp của mặt trời được

cho trên hình 1.1

1.1.2 Năng lượng mặt trời

Bảng 1.1 : Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

Quang phổ Bước sóng Mật độ năng lượng (W/

Tia vũ trụ

Tia X

< 1 nm0,1 nm

3

Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất,

không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển

Bức xạ Nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các tia mặt trời bị thay đổi

hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán xạ, phản xạ,

Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70% toàn bộ bức xạ mặt

trời hướng về quả đất

1.1.4.2 Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia sáng qua lớp khí quyển (air mass)

1.1.4.3 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian

1.1.4.4 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian

1.2 Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)% Hiện tại chính sách quốc gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa

vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một sốnhà máy điện nguyên tử…

1.2.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

1.2.1.1 Pin mặt trời

1.2.1.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời.

1.2.1.3 Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời

1.2.1.4 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

1.2.1.5 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

1.2.1.6 Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời

1.2.1.7 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời

1.2.1.8 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

1.2.2 Hướng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) – nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được loàingười thực sự đặc biệt quan tâm Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng NLMT

và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự

Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm Mặcdù tiềm năng của NLMT rất lớn nhưng tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng nănglượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn ít Nguyên nhân chính chưa thể thương mại hóa các thiết bị vàcông nghệ sử dụng NLMT trong tổng năng lượng mặt trời là do còn tồn tại một số hạn chế lớn chưađược giải quyết:

- Giá thành thiết bị còn cao

- Hiệu suất thiết bị còn thấp

- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế

Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới điện thông minh.Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), Nguồn năng lượng một chiều này đượcchuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu Bộ điều khiển có chức năng truyềnnăng lượng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình Đồng thời,điện năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện

Chương 1 đã giới thiệu được các vấn đề:

- Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay

Trong đó tác giả cũng nhấn mạnh vấn đề sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời

và hệ thống điện mặt trời hòa lưới là một phương thức sử dụng năng lượng mặt trời rất kinh

tế Đây là lĩnh vực đang có xu hướng nghiên cứu để đưa vào sử dụng rộng rãi và cũng là vấn

đề mà luận văn nghiên cứu.

Chương 2: Hệ thống điện năng lượng mặt trời

Trong thực tế, hệ thống điện năng lượng mặt trời có hai loại phổ biến là hệ thống điện nănglượng mặt trời độc lập và hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

2.1 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập

5

Hệ thống điện mặt trời độc lập là hệ nguồn khụng nối với mạng lưới điện quốc gia hay địaphương Hệ nguồn này được ứng dụng ở cỏc khu vực khụng cú lưới điện Ngoài dàn pin Mặt trời, trongmột hệ nguồn điện mặt trời cũn cú cỏc thành phần khỏc nhau trong sơ đồ:

Sơ đồ khối tổng quỏt của một hệ nguồn điện Mặt trời

Đối với cỏc ứng dụng quy mụ lớn, như ở cỏc nước phỏt triển hiện nay, người ta sử dụng cụng

nghệ điện mặt trời nối lưới Trong cụng nghệ này, điện từ mỏy phỏt là dàn pin mặt trời được biến đổi

thành dũng xoay chiều cú hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ cỏc bộ biến đổi điện (Inverter) và được hũavào mạng lưới điện cụng nghiệp Khi sử dụng điện người ta lại lấy điện từ lưới Mạng lưới điện cú vai trũnhư một “ngõn hàng”, tớch trữ điện năng lỳc dàn pin mặt trời phỏt điện và cung cấp trở lại người tiờu dùngkhi cần thiết Nhờ ngõn hàng điện này mà việc sử dụng luụn ổn định và rất tiết kiệm điện

2.2 Lý thuyết hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới

Sơ đồ trỡnh bày tổng quan về hệ thống điện Năng lượng

Mặt trời nối lưới

Trong đú:

2.2.1 Pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bỏn dẫn chứa lượng lớn cỏc Điot P-N, duới sự hiện diện của ỏnh sỏngmặt trời cú khả năng tạo ra dũng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Cỏc pinnăng lượng mặt trời cú nhiều ứng dụng Chỳng đặc biệt thớch hợp cho cỏc vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, cỏc vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trỏi đất, mỏy tớnh cầm tay, cỏc mỏy điện thoại cầm tay

từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành cỏc module hay cỏc tấm năng

DC K

Bộ đóng cắt mềm PS

~

=

Boost Converter

ắc quy

controller

các tín hiệu phản hồi dòng, áp, tốc độ

các giá trị đặt

Bộ đóng cắt mềm l ới

2.2.2 Bộ đóng cắt mềm

Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị được kết

nối hoặc không kết nối với lưới Chúng được tạo thành bởi các

linh kiện bán dẫn công suất Thyristor mỗi pha gồm hai Thyristor

mắc song song ngược, nên trong quá trình đóng cắt không phát

sinh hồ quang Bộ đóng cắt mềm cho phép đóng cắt với thời gian

ngắn; thông qua thuật toán điều khiển, cho phép điều khiển được

công suất cấp cho tải và hướng truyền công suất

2.2.3 Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter

Bộ biến đổi tăng áp (Boost converter) có tác dụng biến đổi điện áp một chiều ở đầu vào thànhđiện áp đầu ra cao hơn, thường được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của các thiết bị biến đổiđiện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặttrời )

Mạch Boost Converter có cấu tạo nguyên lý khá đơn giản

Cũng dùng một nguồn đóng cắt, dùng cuộn cảm và tụ điện Điện

áp đầu ra phụ thuộc vào điều biến độ rộng xung và giá trị cuộn

cảm L

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển:

cDCPV

số và đảm bảo chất lượng áp của nghịch lưu

Dưới đây là sơ đồ mạch lực của bộ nghịch lưu áp 3 pha:

Chúng được cấu tạo từ các linh kiện

bán dẫn công suất, trong trường hợp này

S4, S5, S6 do làm việc được tần số đóng cắt lớn và có đầy đủ ưu điểm của Tranzitor Bipolar và

đầu ra có dạng sin và được viết như sau:

2

32

qua bộ lọc phía lưới LR

2.2.5 Bộ lọc phía lưới:

Bộ lọc phía lưới có tác dụng lọc bớt các sóng hài bậc cao gây

ra bởi bộ nghịch lưu Sơ đồ thay thế như hình vẽ:

Từ sơ đồ thay thế, viết phương trình theo luật Kirholf 2 ta có phương trình:

2.2.6 Thiết bị điều khiển

Là bộ điều khiển trung tâm của cả hệ thống thực hiện chức năng điều phối công suất giữa hệthống pin mặt trời với lưới nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới và phát công suất tácdụng cực đại lên lưới, điều phối tải (tải cục bộ), điều khiển máy phát bám lưới khi có lỗi lưới

Bộ điều khiển (controller or regulator) là một thiết bị điện tử có chức năng kiểm soát tự động cácquá trình nạp và phóng điện của bộ ác qui Bộ điều khiển (BĐK) theo dõi trạng thái của ác qui thôngqua hiệu điện thế trên các điện cực của nó

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TOÀN HỆ THỐNG:

uf

if

Rf Lf

Eg

DC-AC Inverter

UPV

IPV

DC-ACController

DC-DC Boost Converter

MPPTController

IPV UPV

Trong đó:

- MPPT Controller : Bộ điều khiển công suất cực đại từ dàn Pin mặt trời Bộ này có tác dụng điềukhiển cho năng lượng từ dàn pin mặt trời luôn MAX trong mọi điều kiện không ổn định về thời tiết, khí hậu,thời gian sáng tối, cường độ bức xạ… Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển MPPT trực tiếp điều khiển đóng mởvan của bộ DC – DC

- UPV, IPV là điện áp và dòng điện của dàn Pin mặt trời

- UG, IG là dòng điện ba pha của Lưới điện

khi đưa vào bộ nghịch lưu DC-AC

2.3 Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lưới

Hòa đồng bộ là một trong các điều kiện để nguồn điện (từ máy phát, pin mặt trời…) có thể hoạtđộng ở chế độ làm việc song song hoặc cùng nối chung vào một mạng lưới điện

Các nguồn điện khi hoạt động ở chế độ làm việc song song với một nguồn khác, hoặc nhiềunguồn cùng nối chung vào một mạng lưới điện luôn đòi hỏi một số điều kiện Một trong các điều kiện

đó là các nguồn điện phải hoạt động đồng bộ với nhau

2.3.1 Các điều kiện hòa đồng bộ.

- Điều kiện về tần số: Hai nguồn phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số nguồn điệnphải bằng tần

2.3.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới

9

Đối với các hệ thống phân đoạn, hệ thống lưới mạch vòng, thì đồng vị pha đã được xác định ngaykhi thiết kế Tuy nhiên do những sai lệch về điện áp giáng trên đường dây, trên tổng trở ngắn mạchcủa máy biến áp, do phối hợp các tổng trở các máy biến áp trong mạch vòng không tốt và do sự phân

bố tải trước khi đóng, nên góc pha giữa 2 đầu máy cắt có thể khác 0 Nhưng thường là ít thay đổi trongthời gian ngắn Trong trường hợp này, đóng máy cắt sẽ không gây ra ảnh hưởng gì lớn, ngoại trừ mộtvài điểm nào đó có khả năng quá tải Đối với một số vùng liên kết với hệ thống lưới bằng 1 đường duynhất, hoặc nhiều đường nhưng do sự cố đã rã toàn bộ, thì khi đóng lại, góc pha sẽ không còn 0 nữa.Khi đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục, vì 2 tần số lúc ấy sẽ không còn bằng nhau Đóng máy cắt lúc đóphải đầy đủ các điều kiện về tần số như hòa đồng bộ máy phát điện Và thường rất khó, khó hơn hòađồng bộ máy phát Vì muốn thay đổi tần số của một trong 2 hệ thì không thể tác động tại chỗ được, màphải liên hệ từ xa Để bảo đảm đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt ấy phải có lắp đặt rơ lehòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai

2.4 Kết luận chương 2

Trong chương 2 tác giả đã giải quyết một số vấn đề xoay quanh hệ thống điện năng NLMT:

- Nêu đặc điểm, sơ đồ nguyên lý, ưu nhược điểm của 2 hệ thống điện năng lượng mặt trời cơ bản

là hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập và hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

- Nghiên cứu hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới:

+ Đưa ra sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ biến đổi DC/DC và bộ nghịch lưu DC/AC

+ Đưa ra sơ đồ nguyên lý điều khiển toàn hệ thống

- Vài nét lý thuyết về hòa đồng bộ của hệ thống điện NLMT với lưới.

Chương 3: Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

3.1 Vài nét về bộ nghịch lưu áp ba pha nối lưới

Bộ nghịch lưu áp ba pha có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sangdạng năng lượng điện xoay chiều ba pha để cung cấp cho Tải Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu

có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp Linh kiện trong

bộ nghịch lưu áp có vai trò như một khóa dùng để đóng, ngắt dòng điện qua nó Để đóng cắt xung vớitần số cao ta sẽ lựa chọn linh kiện bán dẫn cho bộ nghịch lưu là MOSFET, IGBT… Nghịch lưu áp nốilưới được thiết kế sao cho điện áp đầu ra của nghịch lưu áp nối lưới cần phải thỏa mãn một số điềukiện để chúng có thể hòa lưới và chuyển năng lượng vào lưới Phương pháp điều chế véc tơ không gian

có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác như giảm sóng hài, nâng cao chất lượng điện áp đầu ranên trong phạm vi đề tài chọn phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp ba pha là phương pháp điều chếvéc tơ không gian

3.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian SVM

Phương pháp điều chế véc tơ không gian SVM đang ngày càng được sử dụng rộng rãi Đây làphương pháp biến điệu hoàn toàn sử dụng kỹ thuật số, có độ chính xác cao, dễ dàng thực hiện trên các bộ

xử lý tín hiệu số DSP, ví dụ như dsPic

3.2.1 Thành lập véc tơ không gian