Thiết kế hệ thống điều khiển phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

Hơn nữa hiện nay, tôi đang giảng dạy tại Trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên và đang mong muốn xây dựng một số mô hình điều khiển hiện đại trong đó có hệ thống phát điện sử dụng năng l

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN QUẾ HƯNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Đặng Danh Hoằng PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên – 2016

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Quế Hƣng

Sinh ngày:17 tháng 09 năm 1976

Học viên lớp cao học khoá 16 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Trung Cấp Nghề Nam Thái Nguyên

Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Nguyễn Quế Hƣng

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy TS Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô

Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên

đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này

Học viên

NguyễnQuế Hƣng

Trang 4

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2

1.1 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 2

1.1.1 Khái niệm năng lượng tái tạo 2

1.1.2 Phân loại năng lượng tái tạo 3

1.1.3 Vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam 5

1.1.4 Xu thế phát triển điện gió và điện mặt trời tại Việt Nam 7

1.2 Năng lượng mặt trời [1, 7, 8] 8

1.3 Mô hình sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện 10

1.4 Định hướng nghiên cứu 11

1.5 Kết luận chương 11

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 12

2.1 Mô tả hệ thống điện mặt trời nối lưới 12

2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 12

2.1.2 Điều khiển trong hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới 14

2.2 Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) [8, 9, 10] 14

2.2.1 Khái niệm 14

2.2.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời 15

2.3 Bộ biến đổi một chiều – một chiều (DC - DC) [9] 18

2.3.1 Chức năng 18

2.3.2 Các loại bộ biến đổi DC/DC 19

2.3.2.1 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly 19

2.3.2.2 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly 26

2.3.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC 26

2.3.3.1 Mạch vòng điều khiển điện áp 26

2.3.3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện 27

2.4.1 Tính chọn các thông số của bộ chuyển đổi DC-DC 27

2.4.2 Bộ chuyển đổi DC-AC 34

Trang 5

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 37

3.1 Tổng hợp bộ điều khiển PID 37

3.1.1 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 38

3.1.2 Thiết kế điều khiển ở miền tần số 40

3.3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho nghịch lưu phía lưới 43

3.3.1 Đặt vấn đề 43

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển [5] 45

3.3.3 Kết quả mô phỏng 48

3.3.4 Nhận xét 50

3.4 Kết luận chương 3 50

Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 51

4.1 Đặt vấn đề 51

4.2 Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ [2, 3] 52

4.2.1 Hệ Logic mờ 52

4.2.2 Bộ điều khiển mờ 60

4.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID [3] 62

4.3.1 Phương pháp thiết kế 62

4.3 Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink [6] 66

4.3.1 Sơ đồ mô phỏng 66

4.3.2 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 67

4.4 Kết luận chương 4 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

1 Kết luận: 70

2 Kiến nghị: 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 72

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Trang 7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình điện mặt trời cho hộ gia đình 11

Hình 2.1: Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới 12

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời 13

Hình 2.3: Mạch tương đương của modul PV 16

Hình 2.5 a,b,c,d: Họ đặc tính của PV 18

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 20

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 21

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost 22

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk 23

Hình 2.10: Sơ đồ mạch bộ Curk khi khoá SW mở thông dòng 24

Hình 2.12: Bộ chuyển đổi DC-DC có cách ly 26

Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 27

Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 27

Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) 37

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 37

Hình 3.3: Đồ thị quá độ 38

Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển 40

Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần 3 pha nối lưới 45

Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 46

Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời 46

Hình 3.7: Sơ đồ khối lọc và điều khiển dòng 47

Hình 3.8: Cấu trúc khối điều khiển dòng 47

Hình 3.9: Đáp ứng điện áp đầu ra 1pha hệ thống phát điện sử dụng pin mặt trời 48

Hình 3.10: Đáp ứng điện áp đầu ra 3 pha hệ thống phát điện sử dụng pin mặt trời 48 Hình 3.11: Đáp ứng điện áp đầu ra 1 pha khi nối lưới ở 0,04s 49

Hình 3.12: Đáp ứng điện áp đầu ra 3 pha khi nối lưới ở 0,04s 49

Hình 4.1: Hàm thuộc biến ngôn ngữ 53

Hình 4.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 53

Hình 4.3: Luật hợp thành 54

Hình 4.4: Mờ hoá 55

Trang 8

Hình 4.5: Thực hiện phép suy diễn mờ 56

Hình 4.6: Thực hiện phép hợp mờ 57

Hình 4.7: Những nguyên lý giải mờ 58

Hình 4.8: Cấu trúc một hệ logic mờ 59

Hình 4.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 60

Hình 4.10: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 60

Hình 4.11: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 61

Hình 4.13: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 61

Hình 4.14: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 62

Hình 4.15: Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 63

Hình 4.16: Bên trong bộ điều chỉnh mờ 63

Hình 4.17: Tập mờ e và e’ 64

Hình 4.18: Tập mờ  64

Hình 4.19: Tập mờ Kp và KD 64

Hình 4.20: Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển mờ chỉnh định và PID 66

Hình 4.21: Sơ đồ mô phỏng với cấu trúc bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 67

Hình 4.22: Đáp ứng đầu ra 1 pha của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời 67

Hình 4.23: Đáp ứng đầu ra 3 pha của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời 68

Hình 4 24: Đáp ứng đầu ra 1 pha của hệ thống khi nối lưới ở 0,04s 68

Hình 4 25: Đáp ứng đầu ra 3 pha của hệ thống khi nối lưới ở 0,04s 69

Trang 9

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu của luận văn

Nguồn năng lượng mặt trời đang là một giải pháp hữu hiệu trong việc khai thác nguồn năng lượng phục vụ đời sống và sản xuất mà không gây tác hại đến môi trường Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ thống phát điện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng cũng như triển khai ứng dụng vào thực tế là điều hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao Hơn nữa hiện nay, tôi đang giảng dạy tại Trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên và đang mong muốn xây dựng một số mô hình điều khiển hiện đại trong đó có hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nhằm nâng cao năng lực giảng dạy và nghiên cứu khoa học cho các giáo viên Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển phát điện năng lượng mặt trời qua luận văn này sẽ giúp tôi có có sở để xây dựng mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển phát điện sử dụng năng lượng mặt trời tại Trường Trung cấp

nghề Nam Thái Nguyên Vì vậy tôi chọn đề tài: "Thiết kế hệ thống điều khiển phát điện sử dụng năng lượng mặt trời "

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

- Khảo sát chất lượng điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID thông qua mô phỏng

- Đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng điều khiển so với bộ điều khiển PID bằng mô phỏng

3 Nội dung của luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

Chương 2: Cấu trúc điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống phát điện sử dụng

năng lượng mặt trời

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

cho hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

Kết luận và kiến nghị

Trang 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

1.1.1 Khái niệm năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn, theo hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất

Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ

Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch) Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là

vô tận Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụng trong quá khứ Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái

Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại

"vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các

lò phản ứng tái sinh (breeder reactor), khi năng lượng hao tốn lúc khai thác

Trang 11

uranium hay thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này

1.1.2 Phân loại năng lƣợng tái tạo

Năng lượng tái tạo bao gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều (sóng), thủy điện, địa nhiệt, sinh khối, nhiên liệu sinh học Theo nguồn gốc xuất xứ ta phân năng lượng tái tạo thành 3 loại như sau

1.1.2.1 Nguồn gốc từ bức xạ mặt trời [1, 7, 12]

Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máynhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ

Trang 12

photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này

Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển

Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển

Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

1.1.2.2 Nguồn gốc từ nhiệt năng của Trái Đất

Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt

độ lòng Trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của mặt Trời Địa nhiệt có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như: Nhà máy điện địa nhiệt; Sưởi ấm địa nhiệt

1.1.2.3 Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất - Mặt Trăng

Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất) Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi

Trang 13

Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều

Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt

về phía Mặt Trăng Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời

1.1.2.4 Các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ

Ngoài các nguồn năng lượng nêu trên dành cho mức độ công nghiệp, còn có các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ dùng trong một số vật dụng:

- Một số đồng hồ đeo tay dự trữ năng lượng lắc lư của tay khi con người hoạt động thành thế năng của lò xo, thông qua sự lúc lắc của một con quay Năng lượng này được dùng để làm chuyển động kim đồng hồ

- Một số động cơ có rung động lớn được gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến dạng cơ học thành điện năng, làm giảm rung động cho động cơ và tạo nguồn điện phụ Tinh thể này cũng có thể được gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên của người để phát điện cho các thiết bị cá nhân nhỏ như PDA, điện thoại di động

- Hiệu ứng điện động giúp tạo ra dòng điện từ vòi nước hay các nguồn nước chảy, khi nước đi qua các kênh nhỏ xíu làm bằng vật liệu thích hợp

- Các ăngten thu dao động điện từ (thường ở phổ radio) trong môi trường sang năng lượng điện xoay chiều hay điện một chiều Một số đèn nhấp nháy gắn vào điện thoại di động thu năng lượng sóng vi ba phát ra từ điện thoại để phát sáng, hoạt động theo cơ chế này

1.1.3 Vấn đề khai thác năng lƣợng tái tạo ở Việt Nam

Theo một báo cáo của Bộ Công Thương, hiện nay Việt Nam có đến 7 dạng NLTT có tiềm năng khai thác NL gió: tiềm năng 8% diện tích toàn lãnh thổ, đã đo xác định 1800MW, hiện khai thác 1.25MW; NL mặt trời: tiềm năng 4-5kWh/m2/d, hiện khai thác 1.2KW; Thủy điện nhỏ: hiện khai thác 300MW/4000MW tiềm năng;

NL sinh khối: hiện khai thác 150MW/800MW tiềm năng; Rác thải: hiện khai thác 2.4MW/350MW tiềm năng; Khí sinh học: hiện khai thác 2MW/150MW tiềm năng;

NL địa nhiệt: hiện khai thác 0MW/340MW tiềm năng

Theo đó có thể thấy NL gió và NL mặt trời là hai nguồn NLTT có tiềm năng lớn nhất Tuy nhiên, đây lại là 2 nguồn NLTT được khai thác ít nhất cả về công suất và hiệu quả Có rất nhiều nguyên nhân, trong đó nguyên nhân về mặt kinh tế (chi phí đầu tư ban

Trang 14

đầu quá cao, quy mô đầu tư lớn, giá thành sản phẩm không cạnh) và các chính sách hỗ trợ của Nhà nước đang là rào cản lớn đối với việc phát triển nguồn NL này

Thủy điện nhỏ hiện đang được khai thác với công suất lớn nhất (hơn 300MW) Tuy nhiên, theo Thạc sĩ Nguyễn Minh Việt – Viện Thủy điện và Năng lượng tái tạo, tỉ lệ các trạm thủy điện nhỏ ngừng hoạt động trên cả nước là 61% Tổng công suất của các trạm đang còn hoạt động chỉ vào khoảng 3% tiềm năng và chỉ đạt khoảng 50 đến 70% công suất thiết kế.Nguyên nhân là do: năng suất không

ổn định do những bất ổn của thời tiết và biến đổi khí hậu; và thủy điện nhỏ chưa được đầu tư đúng mức

Xét về hiệu quả khai thác (tỉ lệ công suất khai thác so với tiềm năng) thì NL sinh khối đang được khai thác nhiều và hiệu quả nhất (18.75%) NL sinh khối là nguồn năng lượng được khai thác chủ yếu từ các phụ phẩm nông nghiệp (trấu, bã mía, rơm rạ…) NL sinh khối ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa phát triển, quá trình thương mại hóa vẫn còn hạn chế Cho đến nay, chỉ có 33 trên tổng số 43 nhà máy mía đường của Việt Nam sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bằng bã mía với tổng công suất lắp đặt 130MW Ngoài ra, sinh khối được sử dụng ở vùng nông thôn như nguồn nguyên liệu phục vụ đun nấu với quy mô nhỏ và chưa có công nghệ thích hợp nên hiệu suất thấp

Bảng 0.1: Công suất năng lượng tái tạo khai thác tại Việt Nam

Trang 15

1.1.4 Xu thế phát triển điện gió và điện mặt trời tại Việt Nam

Trong giai đoạn vừa qua, đã có nhiều công trình nghiên cứu phát triển nguồn năng gió và mặt trời

+ Đối với điện gió:

Nhà máy phát điện sức gió đầu tiên ở Việt nam phải kể đến là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch Long Vĩ, Hải Phòng Có công suất 800KW và với số vốn đầu tư

14 tỷ đồng thì thời gian hoàn vốn 7 đến 8 năm (giá bán điện tính trung bình 750VNĐ/KWh) Sau đó là nhà máy phát điện sức gió kết hợp với máy phát điện Diesel có tổng vốn đầu tư 200 tỷ đồng, cho đến nay đã thực hiện song giai đoạn 2

và đang tiếp tục thực hiện giai đoạn 3 trong các năm 2009 - 2012 với tổng công suất lên đến 10MW

Việt Nam cũng đã có một dự án điện gió với công suất 50 MW, đó là nhà máy điện gió Phương Mai ở Bình Định phục vụ cho Khu Kinh tế Nhơn Hội, tuy nhiên tiến độ rất chậm so với kế hoạch vì thế khó có thể đánh giá được hiệu quả kinh tế

Nhà máy Phong điện 1 là dự án điện gió có quy mô lớn đầu tiên tại Việt Nam

do Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư Vào năm

2011, toàn bộ dự án sẽ hoàn thành và đi vào hoạt động với 80 tua-bin, có tổng công suất là 120 MW 1.500 ha của dự án chủ yếu được quy hoạch trên vùng đất bạc màu, chỉ có cây bụi và những rẫy dưa còi cọc Giai đoạn một gồm 20 tua-bin chiều cao cột 85 m, đường kính cánh quạt 77 m, công suất 1,5 MW, tổng trọng lượng tua-bin là 89,4 tấn, cột tháp là 165 tấn Toàn bộ thiết bị do Fuhrlaender, hãng chế tạo thiết bị điện gió nổi tiếng thế giới của Đức cung cấp và được Công ty Fuhrlaender Việt Nam lắp đặt Tổng mức đầu tư giai đoạn một gần 820 tỷ đồng Khi cả 20 tổ máy đi vào hoạt động ổn định, sản lượng điện mà nó mang lại vào khoảng 100 triệu kWh/năm Đây không phải là một con số lớn nhưng lại vô cùng có ý nghĩa, nó mở đầu cho ngành công nghiệp điện gió Việt Nam

+ Đối với điện mặt trời:

Các hệ thống phát năng lượng điện mặt trời ở nước ta chưa phát triển được thành nhà máy phát điện Tuy nhiên cũng đã có một số hệ thống phát điện năng lượng mặt trời công suất nhỏ như hệ thống năng lượng pin mặt trời đặt tại Trường ĐHKTCN Thái nguyên do tổ chức phi chính phủ Singapor tài trợ, mái nhà điện mặt

Trang 16

trời của TS Nguyễn Thị Tố thành phố Hồ Chí Minh, bộ pin mặt trời Usolar (thiết bị nhập ngoại từ Hoa Kỳ) …

Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời ở nước ta còn nhiêu hạn chế, khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta còn đang ở qui mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu, sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời (hệ thống đun nước nóng), các nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời và hòa vào lưới điện hầu như chưa có.Nguồn năng lượng từ mặt trời có thể khai thác được ở nhiều nơi, ngay

cả trong trung tâm các thành phố Có nhiều hướng khai thác năng lượng mặt trời phục vụ cho sinh hoạt con người, trong đó xu hướng biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng chiếm xu thế chủ đạo

1.2 Năng lƣợng mặt trời [1, 7, 8]

Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện

từ xuất phát từ mặt trời đến Trái đất Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu 0C Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa Như vậy năng lượng mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2 , đó chính là nguồn gốc của mọi sự sống trên trái đất Khi xuyên qua khí quyển của trái đất một phần năng lượng mặt trời bị hấp thụ Kết quả tính toán cho thấy năng lượng mặt trời phân bố trên bề mặt trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu

Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ mặt trời (BXMT) thành điện năng (pin mặt trời) Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa mặt trời, v.v Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, v.v

Tiềm năng của năng lƣợng mặt trời trên thế giới:

Trang 17

Tiềm năng về năng lượng mặt trời của các nước trên thế giới là rất lớn Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền

Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1 2

Bảng 1 2 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời

Khu vực

Bức xạ Mặt trời [1000 TWh]

Chỉ số chất lượng trung bình DNI [kWh/tháng/năm]

Công suất có thể khai thác [1000 TWh/năm]

Tiềm năng của năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam:

Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực

có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh), bảng 1 3

Trang 18

Bảng 1 3 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam

trong năm

Bức xạ kcal/cm2/năm

Khả năng ứng dụng

1.3 Mô hình sử dụng năng lƣợng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện

Như đã phân tích, đặc điểm chung của các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo đó là phân tán, công suất nhỏ và đang được hoàn thiện dần về chất lượng điện năng cung cấp Hiện tại, các nguồn điện điện thuộc dạng này chủ yếu được khai thác dưới các hình thức sau: Mạng điện độc lập, mạng điện có kế nối lưới và dần dần tiến đến trong tương lai gần là mạng điện thông minh

Đối với những vùng sâu vùng xa, nơi mà điện lưới quốc gia không có điều kiện vươn tới, như những khu vực biên giới hải đảo thì việc thiết lập một mạng điện độc lập là giải pháp duy nhất Trước đây, nguồn cung cấp cho mạng điện độc lập chủ yếu là máy phát điện diesel với công suất từ vài chục đên một vài trăm kW Ngày nay, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo cho mạng điện độc lập đang được phổ cập Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điện sức gió, điện đại dương, V.V Mô hình mạng điện độc lập nguồn năng lượng tái tạo được phát triển đa dạng cả về loại nguồn và cấu trúc sơ đồ, đa dạng về công suất từ nhỏ đến vừa phù hợp cho cắc đối tượng ứng dụng khác nhau, thậm chí dùng riêng cho một phụ tải hay một hộ gia đình Ví dụ như trên các hình vẽ sau;

Sơ đồ trên hình 1 4 mô tả một mạng điện với nguồn được sử dụng ở đây là dạng pin mặt trời gồm các module kết nối thành hệ nguồn PV Array có điện áp và công suất phù hợp Pin sản sinh ra điện một chiều qua bộ điều khiển nạp cho ắc quy

có dung lượng 3116 Wh/ ngày Từ ắc quy, một nhánh cấp trực tiếp cho tủ lạnh chạy điện dc, một nhánh khác thông qua biến tần dc/ac cấp cho các tải xoay chiều trong gia đình

Trang 19

Hình 1.1: Mô hình điện mặt trời cho hộ gia đình

1.4 Định hướng nghiên cứu

Đề tài tập trung vào việc xây dựng cấu trúc điều khiển và nghiên cứu thiết kế

bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống điện (có kể đến nối lưới) bằng bộ điều khiển mờ và có so sánh chất lượng điều khiển mờ với bộ điều khiển PID

1.5 Kết luận chương

Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Giới thiệu những vấn đề cơ bản về năng lượng tái tạo

- Phân tích tổng quan về tiềm năng và việc sử dụng năng lượng mặt trời

- Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ để điều khiển hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu về cấu trúc điều khiển cho hệ thống

phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

Trang 20

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 2.1 Mô tả hệ thống điện mặt trời nối lưới

2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời (còn gọi là hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo) là một hệ thống cho phép năng lượng khai thác nguồn năng lượng mặt trời thông qua một bộ biến đổi điện tử công suất để biến thành điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz (hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải hoặc nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới điện khu vực Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và là một bộ phận không thể thiếu được của lưới điện thông minh

Trong phạm vi đề tài, chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời biến đổi thành điện xoay chiều nối với lưới điện 1 pha tần số 50Hz Những kết quả nghiên cứu của hệ thống này cũng dễ dàng áp dụng cho hệ thống 3 pha

Hình 2.1 minh họa một hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới một pha [11, 12]:

Hình 2.1: Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới

Trang 21

Từ sơ đồ hệ thống máy phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới ở trên, ta có thể xây dựng được sơ đồ khối như hình 2.2:

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

Các khối trong sơ đồ hình 2.2, cụ thể như sau:

- Khối Modul quang điện (PV) làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin

- Khối dò điểm công suất tối đa với giải thuật tìm điểm công suất cực đại của modul PV ứng với giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ

- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá trị phù hợp và ổn định để hòa với điện gió thông qua thanh cái một chiều DC bus

- Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (DC/AC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều ở thanh cái một chiều DC bus thành điện áp xoay chiều có các thông số phù hợp với lưới

Như vậy, trong hệ thống này, năng lượng từ nguồn năng lượng mặt trời được biến đổi thành năng lượng điện một chiều, năng lượng này sau đó được sử dụng trực tiếp cho tải một chiều hoặc đưa qua bộ biến đổi DC-AC chuyển thành năng lượng xoay chiều dùng trực tiếp cho tải xoay chiều hoặc kết nối với lưới điện

Tìm điểm công suất tối đa MPPT

BĐ DC/DC

Tải một chiều Bức xạ mặt trời

Nhiệt độ

Điện mặt trời MPP Sửa áp một chiều

Modul PV

DC/AC Tải xoaychiều

Lưới

DC bus

Trang 22

2.1.2 Điều khiển trong hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới

Để đảm bảo cho hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới làm việc an toàn, ổn định, có hiệu suất cao thì cần phải có các điều khiển sau:

- Điều khiển dò tìm điểm công suất tối đa, điều khiển bộ biến đổi DC/DC đối với hệ thống điện mặt trời

- Điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới DC/AC đảm bảo phát ra nguồn điện có các thông số phù hợp với lưới (biên độ điện áp, tần số và góc pha)

Ngoài ra còn có các điều khiển khác như bù sóng hài, chống cô lập hóa (Anti islanding)

2.2 Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) [8, 9, 10]

2.2.1 Khái niệm

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các điôt p-n, duới sự tác động của ánh sáng mặt trời có khả

năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Pin năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện được kết nối thành các modul hay các mảng năng lượng mặt trời Số tế bào quang điện được sử dụng trong tấm pin tùy theo công suất và điện áp yêu cầu

Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lượng điện pin mặt trời có thể phát ra

và năng lượng từ ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt trong 1m² hiệu suất của pin mặt trời

thay đổi từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin

Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng

Trang 23

ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si

có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời

Năng lượng mặt trời được tạo ra từ các tế bào quang điện (PV) là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng do lợi thế như không cần chi phí nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng ồn và mòn do sự vắng mặt của bộ phận chuyển động Về lý thuyết đây là một nguồn năng lượng lý tưởng Tuy nhiên, để hệ thống này được triển khai rộng rãi trong thực tế cần phải tiếp tục giải quyết một số vấn đề như: Giảm chi phí lắp đặt; tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và các vấn đề liên quan đến sự tương tác với các hệ thống khác

2.2.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời

Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập

kỷ qua [9] Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp được chỉ ra trên hình 3 Ta có:

d c

Trang 24

Hình 2.3: Mạch tương đương của modul PV Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức (2.2)

Với: µsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C); Tref là nhiệt

độ tham chiếu của tế bào quang điện (0

K); Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K); Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ 250C và bức

xạ mặt trời 1kW/m2); G là bức xạ mặt trời kW/m2

Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu thức 2.3.[8]

g ref c

Trang 25

điện PV Các thông số của mô hình thường được lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đường đặc tính I(U) hai thông số là điện áp hở mạch UOC (khi dòng điện ra bằng 0) và Dòng điện ngắn mạch

Trang 26

Hình 2.5 a,b,c,d: Họ đặc tính của PV Trong đó hình 10a, b là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với các mức bức xạ khác nhau; hình 10c,d là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với nhiệt độ khác nhau Từ đó ta có nhận xét sau:

- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi theo nhiệt độ

- Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời

- Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm

PV Mỗi đường đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi là điểm công suất cực đại (MPP - Max Power Point)

2.3 Bộ biến đổi một chiều – một chiều (DC - DC) [9]

2.3.1 Chức năng

Bộ biến đổi 1 chiều 1 chiều (Boot converter) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường 400V) và duy trì ổn định điện áp đó để hòa vào thanh cái một chiều (DC-Bus) cùng với điện áp của tuabin gió Đồng thời thông qua bộ Boost converter này để thực hiện điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống

Trang 27

Các bộ biến đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách

ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Các loại

bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:

- Bộ giảm áp (buck)

- Bộ tăng áp (boost)

- Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk

Bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp

Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC

2.3.2 Các loại bộ biến đổi DC/DC

2.3.2.1 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly

a) Mạch Buck

Sơ đồ nguyên lý mạch buck được chỉ ra trên hình 2.9 Khóa K trong mạch là

những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức năng giảm điện

áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor được đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:

Trang 28

Trong đó Ton là thời gian khóa K mở, T là chu kỳ làm việc của khóa, fDC tần

số đóng cắt

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0 Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng

và tụ điện do Điot khép kín mạch Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng

Công thức (2.7) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như

là bộ điều chế xung PWM

Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất, bộ Buck còn thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dòng điện vào không liên tục vì khoá điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt

Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử

Bộ Buck có thể làm việc làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểm MPP xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp ắc quy dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức

Trang 29

xạ xuống thấp Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp

b) Mạch Boost

Sơ đồ nguyên lý mạch boock như hình 2.7

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng

L Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điôt tới tải

in out

U U

Trang 30

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost

Từ công thức (2.9): Do 0 < D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ

có thể giảm điện áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào

Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điot phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian

Ta có công thức:

in out

U DU

Trang 31

Ta có sơ đồ mạch Curk như hình 2.9

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk

Bộ Cuk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp Curk dùng một tụ điện để lưu giữ năng lượng vì vậy dòng điện vào sẽ liên tục Mạch Curk ít gây tổn hao trên khoá điện tử hơn và cho hiệu quả cao Nhược điểm của Cúk là điện áp ra có cực tính ngược với điện áp vào nhưng bộ Curk cho đặc tính dòng ra tốt hơn do có cuộn cảm đặt ở tầng ra Chính từ ưu điểm chính này của Curk (tức là có đặc tính dòng vào và dòng ra tốt

Nguyên lý hoạt động của Cuk là chế độ dẫn liên tục Ở trạng thái ổn định, điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm bằng 0, theo định luật điện áp Kirchhoff ở vòng mạch ngoài cùng hình vẽ 2.9 ta có:

Giả sử tụ C1 có dung lượng đủ lớn và điện áp trên tụ không gợn sóng mặc dù

nó lưu giữ và chuyển một lượng năng lượng lớn từ đầu vào đến đầu ra

Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào được cấp và khoá SW khoá không cho dòng chảy qua Điốt D phân cực thuạn, tụ C1 được nạp Hoạt động của mạch được chia thành 2 chế độ

Chế độ 1: Khi khoá SW mở thông dòng, mạch như ở hình vẽ 2.10

Trang 32

Hình 2.10: Sơ đồ mạch bộ Curk khi khoá SW mở thông dòngĐiện áp trên tụ C1 làm điôt D phân cực ngược và Điốt khoá Tụ C1 phóng sang tải qua đường SW, C2, Rtải, và L2 Cuộn cảm đủ lớn nên giả thiết rằng dòng điện trên cuộn cảm không gợn sóng Vì vậy ta có mỗi quan hệ sau:

Chế độ 2: Khi SW khoá ngăn không cho dòng chảy qua, mạch có dạng như hình vẽ 2.11:

Hình 2.11: Sơ đồ mạch Curk khi khoá SW đóng

Tụ C1 được nạp từ nguồn vào VS qua cuộn cảm L1 Năng lượng lưu trên cuộn cảm L2 được chuyển sang tải qua đường D, C2, và điên trở tải Rload Vì vậy ta có:

Để hoạt động theo chu kỳ, dòng điện trung bình của tụ là 0 Ta có:

-IL2.DT + IL1.(1 – D)T = 0 (2.14)

Trang 33

L1 L2

Từ công thức (2 19):

- Nếu 0 < D < 0,5: Đầu ra nhỏ hơn đầu vào

- Nếu D = 0,5: Đầu ra bằng đầu vào

- Nếu 0,5 < D < 1: Đầu ra lớn hơn đầu vào

Từ công thức (2.19) ta thấy rằng có thể điều khiển điện áp ra khỏi bộ biến đổi DC/DC bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D của khoá SW

 Nhận xét:

Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên đều bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng

Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K để hệ đạt được điểm làm việc tối

ưu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT) sẽ được trình bày chi tiết ở chương tiếp sau

Trang 34

an toàn cho toàn hệ thống Điện cảm rò (Lk) được sử dụng như 1 phần tử chuyển đổi nguồn, loại bỏ những vấn đề quá áp thiết bị thiết bị và cần thiết cho sự chống rung các bảng mạch Sự điều khiển chuyển đổi pha thích hợp giữa những chân cầu vào (M1-M4) và những chân kích hoạt chỉnh lưu (M5-M6) cho phép định hướng dòng điện của biến áp, vì vậy đạt được chuyển đổi với điện áp và dòng điện bằng 0 (Zero current Zero Voltage Switching - ZCZVS)

2.3.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC

Để điều khiển bộ biến đổi DC-DC, có thể sử dụng mạch vòng điều khiển điện áp hoặc mạch vòng điều khiển dòng điện

2.3.3.1 Mạch vòng điều khiển điện áp

Sơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (RU) như hình 2.16 Điện áp ra ở đầu cực của pin được sử dụng như một biến điều khiển cho hệ Nó duy trì điểm làm việc của cả hệ sát với điểm làm việc có công suất lớn nhất bằng cách điều chỉnh điện áp của pin phù hợp với điện áp theo yêu cầu

Phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:

Trang 35

- Bỏ qua hiệu suất của bức xạ và nhiệt độ của dãy pin mặt trời

- Không được áp dụng rộng rãi cho hệ thống lưu giữ điện năng

Vì vậy, phương pháp điều khiển này chỉ thích hợp dưới điều kiện độ bức xạ

ổn định, chẳng hạn như hệ thống vệ tinh, vì nó không thể tự động xác định điểm làm việc tối ưu khi điều kiện ánh sáng và nhiệt độ thay đổi

Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp

2.3.3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện

Mạch vòng điều khiển dòng điện được chỉ ra trên hình 2.14 Phương pháp này chỉ áp dụng với những thuật toán MPPT cho đại lượng điều khiển là dòng điện

Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện

2.4 Lựa chọn các tham số cho hệ thống điều khiển phát điện sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời

2.4.1 Tính chọn các thông số của bộ chuyển đổi DC-DC

Sau khi miêu tả sự vận hành của bộ chuyển đổi DC-DC, việc tính chọn các thông số cho bộ chuyển đổi có thể thực hiện được dựa theo các đặc điểm:

Converter DC-DC MPPT

Trang 36

 Công suất vào vào: giả sử hiệu suất của nguồn vào là 90% thì công suất vào là:

out in

Trang 37

 Tỉ số biến áp:

Máy biến áp xung ngoài chức năng cách li còn làm nhiệm vụ tăng áp, do vậy

tỉ số vòng dây biến áp luôn lớn hơn 1

 Điện áp ra nhỏ nhất MOSFET bị đánh thủng:

brk MPPT max

 Lựa chọn các Transito trường

Các tranzito trường trong mạch biến đổi DC-DC được chọn giống nhau, từ kết quả tính toán ở trên và tra sổ tay (datasheet) ta chọn TSD4M450V

ra trên bảng 2

Bảng 0.1: Các thông số cơ bản của MOSFET

 Lựa chọn điôt chỉnh lưu:

Hai đi ốt chỉnh lưu chọn loại STTH60L06 Các các thông số cơ bản được chỉ

ra trong bảng 3

Bảng 0.2: Các thông số cơ bản của điốt chỉnh lưu

 Giá trị của tụ điện đầu vào:

Trang 38

Tụ điện đầu vào C1 được sử dụng để làm phẳng độ gợn sóng tần số cao tại đầu vào của mảng PV Giá trị của tụ đầu vào được tính theo công thức sau:

pvmax 1

s pv min

PC

pvmax 1

 Giá trị tụ điện đầu ra:

Giá trị của tụ chính C2 được tính tương tự C1, Thực tế cho thấy rằng độ gợn sóng là đường hình sin có tần số bằng hai lần tần số lưới,ta có:

 Thiết kế máy biến áp cao tần:

Thông số kỹ thuật của máy biến áp xung được chỉ ra trong bảng 3.4:

Bảng 0.3: Thông số kỹ thuật của máy biến áp cao tần

Trang 39

Bộ chuyển đổi nguồn biểu kiến là:

K 0,145 4, 44 35000 0,15 10 7606 (2.34) Bây giờ, tham số nhân đối xứng được tính toán là:

2 g

W A KK

MLT

Trang 40

Sử dụng 2 phần của E70/33/32s theo điều kiện xác định:

d

4

AWG21, có đường kính d=0.072 và có tiết diện dây là: AWAWG22 = 0,004cm2,

có thể được sử dụng cho thiết kế này Tính toán một cường độ dòng điện J=500 A/cm2, số sợi sơ cấp được đưa ra là:

Định dạng
Số trang	85
Dung lượng	2,4 MB