Thiết kế bộ nghịch lưu hòa năng lượng mặt trời lên lưới điện quốc gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TẠ QUANG MINH THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU HÒA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA NGÀNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TẠ QUANG MINH

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU HÒA NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2012

S K C0 0 3 6 0 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TẠ QUANG MINH

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU HÒA NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TẠ QUANG MINH

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU HÒA NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Hướng dẫn khoa học:

TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2012

Luận văn tốt nghiệp Lý lịch khoa học

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang i HVTH: Tạ Quang Minh

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1988 Nơi sinh: Bến Tre

Quê quán: xã Bình Hòa, huyện Giồng Trôm, tỉnh Bến Tre Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: xã Bình Hòa, huyện Giồng Trôm, tỉnh Bến Tre

Điện thoại: 0975120903 E-mail: tqminh58@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

Đại học:

Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ: 2006 đến năm 2010

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Cần Thơ, Thành phố Cần Thơ

Ngành học: Kỹ thuật điện

Tên luận văn tốt nghiệp: Khảo sát và cải tạo lưới điện trung thế 22kV huyện Giồng Trôm tỉnh Bến Tre

Thời gian & nơi bảo vệ luận văn tốt nghiệp: 4/2010 tại Đại học Cần Thơ

Người hướng dẫn: Ths Đỗ Nguyễn Duy Phương

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

07/2010 – 08/2010 Cao đẳng Nghề Cần Thơ Giáo viên

Luận văn tốt nghiệp Lời cam đoan

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang ii HVTH: Tạ Quang Minh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2012

Người cam đoan

Tạ Quang Minh

Luận văn tốt nghiệp Lời cảm ơn

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang iii HVTH: Tạ Quang Minh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất của em gửi đến Tiến Sĩ Trương Việt Anh, người Thầy đã tận tụy hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này

Chân thành cảm ơn quí thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy em trong suốt hai năm học

Và cuối cùng, xin cảm ơn đến tất cả các anh chị, bạn bè đã giúp đỡ tôi về tinh thần, vật chất và công sức trong suốt quá trình học tập cũng như để hoàn thành luận văn này

Xin trân trọng cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2012

Tạ Quang Minh

Luận văn tốt nghiệp Tóm tắt

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang iv HVTH: Tạ Quang Minh

Phương pháp điều khiển tựa áp cho bộ nghịch lưu ba pha được thiết kế và

mô phỏng Việc mô phỏng này được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink Việc thiết kế phân lập dòng điện điều khiển kết hợp với phương pháp độ rộng xung dùng để điều khiển bộ nghịch lưu Kết quả mô phỏng được trình bày và so sánh với việc nghiên cứu lý thuyết Mô hình sẽ tiếp tục phát triển để đáp ứng với những thay đổi của môi trường

Luận văn tốt nghiệp Tóm tắt

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang v HVTH: Tạ Quang Minh

ABSTRACT

In a plug-in hybrid electric vehicle, the utility grid will charge the vehicle battery through the battery charger For a three-phase grid supply voltage, three-phase boost rectifiers are a commonly used scheme for chargers Directional power transfer capability and unit power factor operation are interesting features that can

be achieved by the method proposed in this thesis The Voltage Oriented Control is one of these methods based on high performance dq-coordinate controllers

The Voltage Oriented Control method for a three-phase inverter have been designed and simulated The system simulation has been done using Matlab/Simulink software Feedforward decoupled current control has been designed along with Pulse Width Modulation scheme to control the inverter The simulation results have been presented and control system performance evaluated in theoretical studies result This model is developing in response to environmental changes

Luận văn tốt nghiệp Mục lục

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang vi HVTH: Tạ Quang Minh

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt viii

Danh sách các bảng ix

Danh sách các hình x

Tài liệu tham khảo xiii

Chương 1 Tổng quan về đề tài 01

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 01

1.2 Mục đích của đề tài 04

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 04

1.4 Phương pháp nghiên cứu 04

1.5 Điểm mới của luận văn 05

1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn 05

1.7 Bố cục của luận văn 05

Chương 2 Phương pháp tiếp cận 06

2.1 Mô hình pin mặt trời 06

2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC boots converter 10

2.3 Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời 13

2.4 Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời 17

2.4.1 Phương pháp điện áp hằng số 17

Luận văn tốt nghiệp Mục lục

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang vii HVTH: Tạ Quang Minh

2.4.2 Phương pháp P&O (Perturb and Observe) 18

2.4.3 Phương pháp InC (Incremental Conductance) 19

2.4.4 Nhược điểm của các phương pháp P&O và InC 21

2.5 Xây dựng mô hình pin mặt trời trong Matlab/Simulink 22

Chương 3 Phương án đề xuất 27

3.1 Phương pháp Voltage Oriented Control 27

3.1.1 Chuyển tọa độ (a, b, c) sang (d, q) và ngược lại 30

3.1.2 Các thành phần của bộ nghịch lưu theo phương pháp VOC 32

3.1.2.a Khối hệ thống 32

3.1.2.b Vòng khóa pha PLL 33

3.1.2.c Bộ điều khiển dòng 34

3.1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp VOC 36

3.2 Thông số điều khiển 36

3.2.1 Kỹ thuật điều khiển PID 36

3.2.2 Dãy thuật bầy đàn Particle Swarm Optimization 39

Chương 4 Kết quả mô phỏng 43

4.1 Sơ đồ mô hình trên Matlab/Simulink 43

4.2 Kết quả mô phỏng 44

4.2.1 Khi Id* = 2 (A), Iq*= 0 (A) 44

4.2.2 Khi Id* = 10 (A), Iq*= 0 (A) 46

4.2.3 Khi Id* = 12 (A), Iq*= 0 (A) 48

4.2.4 Khi Id* = 14 (A), Iq*= 0 (A) 50

4.3 Nhận xét 53

Chương 5 Kết luận và đề xuất 54

5.1 Kết luận 54

5.2 Hạn chế và hướng phát triển của đề tài 54

5.2.1 Hạn chế 54

5.2.2 Hướng phát triển của đề tài 54

Luận văn tốt nghiệp Danh sách các chữ viết tắt

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang viii HVTH: Tạ Quang Minh

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MPPT: dò điểm công suất cực đại

NOCT: nhiệt độ vận hành bình thường

MPP: điểm công suất cực đại

P&O: xáo trộn và quan sát

InC: tăng điện kháng

VOC: phương pháp tựa theo điện áp

PLL: vòng khóa pha

PSO: dãy thuật bầy đàn

THD: hệ số méo dạng

Luận văn tốt nghiệp Danh sách các bảng

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang ix HVTH: Tạ Quang Minh

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang Bảng 2.1 Thông số của pin mặt trời thương mại MSX60 tại 1 kW/m2, 250C 25 Bảng 4.1 Tổng hợp thông số bộ nghịch lưu khi bức xạ thay đổi 56

Luận văn tốt nghiệp Danh sách các hình

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang x HVTH: Tạ Quang Minh

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang Hình 1.1 Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1, 2, 3 năm 2011ở Việt Nam[1]

02

Hình 1.2 Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2010[3] 02

Hình 2.1 Mạch điện tương đương của pin mặt trời 06

Hình 2.2 Mô hình pin mặt trời lý tưởng 07

Hình 2.3 Mô đun pin mặt trời 08

Hình 2.4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau 09

Hình 2.5 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau 10

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch boost 11

Hình 2.7 Mạch điện khi S đóng 11

Hình 2.8 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng 11

Hình 2.9 Mạch điện khi S mở 12

Hình 2.10 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở 12

Hình 2.11 Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại 14

Hình 2.12 Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi 14

Hình 2.13 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 15

Hình 2.14 Bộ DC/DC giúp hút công suất cực đại từ pin mặt trời 16

Hình 2.15 Giải thuật MPPT dựa trên các điện áp hằng số 18

Hình 2.16 Đặc tính của pin mặt trời 18

Hình 2.17 Giải thuật P&O 19

Hình 2.18 Độ dốc (dP/dV) của PV 20

Hình 2.19 Giải thuật InC 21

Hình 2.20 Bức xạ thay đổi và đáp ứng của P&O và InC 22

Hình 2.21 Trường hợp phương pháp P&O phát hiện sai 22

Hình 2.22 Mô hình pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink 23

Hình 2.23 Mô hình pin mặt trời thu gọn 24

Hình 2.24 Mô hình pin mặt trời dạng vật lý 24

Luận văn tốt nghiệp Danh sách các hình

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang xi HVTH: Tạ Quang Minh

Hình 2.25 Mô hình pin mặt trời dạng vật lý nối tải 24

Hình 2.26 Bảng thông số đầu vào của pin mặt trời 25

Hình 2.27 Đặc tuyến I-V, P-V với các bức xạ khác nhau (Nhiệt độ pin 25oC) 26

Hình 2.28 Đặc tuyến I-V, P-V với nhiệt độ vận hành khác nhau ……….26

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối bộ nghịch lưu vào lưới phân phối 27

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bộ nghịch lưu theo phương pháp VOC 28

Hình 3.3 Sơ đồ tính toán giá trị Id* và Iq* 30

Hình 3.4 Hệ trục tọa độ cố định và hệ tọa độ quay 31

Hình 3.5 Mô hình khối hệ thống 32

Hình 3.6 Cấu trúc bộ PLL 33

Hình 3.7 Sơ đồ Matlab/Simulink của bộ PLL 34

Hình 3.8 Sơ đồ bộ điều khiển dòng 35

Hình 3.9 Giản đồ vecto của dòng điện và điện áp trong phương pháp VOC 35

Hình 3.10 Sơ đồ hoạt động bộ điều khiển PID 37

Hình 3.11 Ảnh hưởng của KP lên đáp ứng hệ thống (khi KI và KD không đổi) 38

Hình 3.12 Ảnh hưởng của KI lên đáp ứng hệ thống (khi KP và KD không đổi) 38

Hình 3.13 Ảnh hưởng của KD lên đáp ứng hệ thống (khi KP và KI không đổi) 39

Hình 4.1 Công suất tác dụng ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.2 kW/m2 43

Hình 4.2 Công suất phản kháng ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.2 kW/m2 44

Hình 4.3 Điện áp ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.2 kW/m2 44

Hình 4.4 Dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.2 kW/m2 45

Hình 4.5 Tín hiệu THD dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.2 kW/m2 46

Hình 4.6 Công suất tác dụng ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.4 kW/m2 46

Hình 4.7 Công suất phản kháng ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.4 kW/m2 47

Hình 4.8 Điện áp ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.4 kW/m2 47

Hình 4.9 Dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.4 kW/m2 48

Hình 4.10 Tín hiệu THD dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.4 kW/m2 48

Hình 4.11 Công suất tác dụng ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.6 kW/m2 49

Hình 4.12 Công suất phản kháng ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.6 kW/m2 49

Luận văn tốt nghiệp Danh sách các hình

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang xii HVTH: Tạ Quang Minh

Hình 4.13 Điện áp ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.6 kW/m2

50 Hình 4.14 Dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.6 kW/m2

50 Hình 4.15 Tín hiệu THD dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.6 kW/m2

51 Hình 4.16 Công suất tác dụng ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.8 kW/m2

51 Hình 4.17 Công suất phản kháng ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.8 kW/m2

52 Hình 4.18 Điện áp ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.8 kW/m2

52 Hình 4.19 Dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.8 kW/m2

53 Hình 4.20 Tín hiệu THD dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 0.8 kW/m2

53 Hình 4.21 Công suất tác dụng ngõ ra khi cường độ bức xạ 1 kW/m2

54 Hình 4.22 Công suất phản kháng ngõ ra khi cường độ bức xạ 1 kW/m2

54 Hình 4.23 Điện áp ngõ ra khi cường độ bức xạ 1 kW/m2

55 Hình 4.24 Dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 1 kW/m2

55 Hình 4.25 Tín hiệu THD dòng điện ngõ ra khi cường độ bức xạ 1 kW/m2

56

Luận văn tốt nghiệp Tài liệu tham khảo

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang xiii HVTH: Tạ Quang Minh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TIẾNG VIỆT

[1] Viện khí tượng thủy văn: http://www.imh.ac.vn/

[2] First Solar Việt Nam – dự án công nghệ cao đầu năm 2011,

http://www.hepza.hochiminhcity.gov.vn

[3] Đặng Đình Thống, “Cơ sở năng lượng mới và tái tạo”, Nhà xuất bản khoa

học kỹ thuật, 2006

[4] www.wikipedia.org

TIẾNG NƯỚC NGOÀI

[5] Syafrudin Masri, Pui-Weng Chan “Development of a microcontroller – based boost converter for photovoltaic system”, ISSN 1450-216X Vol.41 No.1

Brasil „A Single-Phase Single-Stage, High Power Factor Grid-Connected PV System, with Maximum Power Point Tracking’

[8] Marcio Mendes Casaro*, Denizar Cruz Martins Power Electronics Institute,

Federal University of Santa Catarina „Grid-Connected PV System: Introduction to Behavior Matching’

[9] A.P.S Ramalakshmi „Comparision of solar panel power under varying load and irradiance conditions’

Luận văn tốt nghiệp Tài liệu tham khảo

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang xiv HVTH: Tạ Quang Minh

[10] Jing Li , Fang Zhuo , Xianwei Wang , Lin Wang , Song Ni „A Connected PV System with Power Quality Improvement Based on Boost + Dual- Level Four-Leg Inverter’

Grid-[11] Samatcha Phuttapatimok, Anawach Sangswang, Member, IEEE, and

Krissanapong Kirtikara ‟ Effects on Short Circuit Level of PV Grid-Connected Systems under Unintentional Islanding’

[12] Fei Wang, Chengcheng Zhang, Zengqiang Mi ‟ Anti-islanding Detection and Protection for Grid connected PV System Using Instantaneous Power Theory’ [13] Fei Wang, Zengqiang Mi „Passive Islanding Detection Method for Grid Connected PV System’ 2009 International Conference on Industrial and

[16] Roberto F Coelho, Filipe M Concer, Denizar C Martins ‘A MPPT Approach Based on Temperature Measurements Applied in PV Systems’ Electrical

Engineering Departament, Power Electronics Institute, Federal University of Santa Catarina, P.O 5119 - Florianópolis, SC 88040-970, Brazil

[17] Vocational School of Technical Studies, Marmara University, Kadıkoy,

34722 Istanbul, Turkey ‘Recent Developments in MaximumPower Point Tracking Technologies for Photovoltaic Systems’

[18] Ibrahim, H E.-S A and Houssiny, F F., “Microcomputer Controlled Buck Regulator for Maximum Power Point Tracker for DC Pumping System Operates from Photovoltaic System,” Proceedings of the IEEE International Fuzzy Systems

Conference, August 22-25,Vol 1, pp 406-411 (1999)

Luận văn tốt nghiệp Tài liệu tham khảo

GVHD: TS Trương Việt Anh Trang xv HVTH: Tạ Quang Minh

[19] Jawad Ahmad, and Hee-Jun Kim “A Voltage Based Maximum Power Point Tracker for Low Power and Low Cost Photovoltaic Applications” World Academy

of Science, Engineering and Technology 60 2009

[20] Masoum, Mohammad A S Dehbonei, Hooman, “Design, Construction and Testing of a Voltage-based Maximum Power Point Tracker (VMPPT) for Small Satellite Power Supply” SSC99-XII-7

[21] Enslin, J H R and Snyman, D B., “Simplified Feed-Forward Control of the Maximum Power Pont in PV Installations” Proceedings of the IEEE

International Conference on Power Electronics Motion Control, Vol.1, pp 548-553 (1992)

[22] Sree Manju B, Ramaprabha R, Mathur B.L “Design and Modeling of Standalone Solar Photovoltaic Charging System”International Journal of

Computer Applications (0975 – 8887) Volume 18– No.2, March 2011

[23] Mayssa Farhat, Lassâad Sbita “Advanced Fuzzy MPPT Control Algorithm for Photovoltaic Systems ” Science Academy Transactions on Renewable Energy

Systems Engineering and Technology Vol 1, No 1, March 2011

[24] Mohamed Salhi, Rachid El-Bachtri “Maximum Power Point Tracker using Fuzzy Control for Photovoltaic System” International Journal of Research

and Reviews in Electrical and Computer Engineering (IJRRECE) Vol 1, No 2, June 2011, ISSN: 2046-5149

[25] R Belaidi, M Fathi, A Haddouche, A Chikouche, G Mohand Kaci and Z

Smara, “ Study and Simulation of a Mppt controller based on Fuzzy logic controller for photovoltaic system” IGEC-VI-2011-208

[26] Theodoros L Kottas, Athanassios D Karlis, “New Maximum Power Point Tracker for PV Arrays Using Fuzzy Controller in Close Cooperation With Fuzzy Cognitive Networks” IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION,

VOL 21, NO 3, SEPTEMBER 2006