Tải sử dụng sẽ được cấp nguồn từ hệ thống pin mặt trời dưới sự điều khiển của bộ biến đổi công suất và được kết nối với lưới điện hạ áp.. Khi hệ thống pin mặt trời phát công suất lớn hơn
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN THANH LONG
KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
KẾT NỐI LƯỚI TRỰC TIẾP
Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Phan Quốc Dũng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Trương Việt Anh
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 17 tháng 07 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
6 TS Trương Việt Anh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Thanh Long MSHV: 11180111
Ngày, tháng, năm sinh: 05/07/1987 Nơi sinh: An Giang Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện Mã số : 60 52 50 I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI TRỰC TIẾP
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết lưới
Tìm hiểu bộ nghịch lưu ba pha dạng cải tiến hiệu suất
Mô phỏng hệ thống nghịch lưu và PV kết lưới
Kết luận
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)
V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
PGS.TS Phan Quốc Dũng
Tp HCM, ngày tháng năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)
Trang 4dẫn, chỉ dạy em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này
Xin gửi lời cảm ơn quý thầy cô của trường đại học Bách Khoa TP.HCM nói chung, quý thầy cô của khoa Điện - Điện tử nói riêng
đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong
quá trình học tập vừa qua
Tôi xin chân thành cám ơn!
NGUYỄN THANH LONG
Trang 5GIỚI THIỆU LUẬN VĂN Ngày nay, các vấn đề về thiếu hụt năng lượng, ô nhiễm môi trường ngày càng được con người quan tâm và cải thiện Đứng trước nhu cầu lớn về một nguồn năng lượng sạch, bền vững nên những năm gần đây các nguồn năng lượng tại tạo, mà đặc biệt là năng mặt trời và năng lượng gió, ngày càng trở nên hấp dẫn và cũng đã có những bước phát triển vượt bậc
Năng lượng từ pin Mặt Trời được tích trữ lại trong bình nạp (accqui) rồi sử dụng năng lượng trong bình nạp đó để nối lưới và sinh hoạt Ưu điểm của phương pháp này là điện áp bình nạp cố định, dẫn đến bộ chuyển đổi ra điện áp sử dụng khá đơn giản Tuy nhiên, nó có nhược điểm là gây tổn hao lớn khi chuyển đổi năng lượng phải qua 2 khâu (khâu nạp từ pin xuống bình nạp và khâu từ bình nạp lên điện áp sử dụng), đồng thời phải tốn thêm thiết bị tích trữ năng lượng như acquy với giá thành tương đối cao
Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới là một giải pháp cho vấn đền nêu trên Tải sử dụng sẽ được cấp nguồn từ hệ thống pin mặt trời dưới sự điều khiển của bộ biến đổi công suất và được kết nối với lưới điện hạ áp Khi hệ thống pin mặt trời phát công suất lớn hơn nhu cầu của tải, phần năng lượng thừa sẽ được bộ biến đổi công suất điều khiển phát lên lưới Khi hệ thống pin mặt trời phát công suất nhỏ hơn nhu cầu của tải, phần năng lượng lượng còn thiếu tải sẽ sử dụng trực tiếp từ lưới điện
Đề tài này thực hiện đưa trực tiếp năng lượng từ pin Mặt Trời lên hệ thống lưới điện hạ áp xoay chiều không qua máy biến áp nhằm cải thiện hiệu suất của toàn hệ thống
Bộ nghịch lưu HERIC 3 pha được sử dụng trong mô hình này nhằm cải thiện hơn nữa hiệu suất chuyển đổi DC/AC
Bộ nghịch lưu HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) được công
bố năm 2011 bởi Heribert Schmidt với ưu điểm cải thiện được hiệu suất chuyển đổi DC/AC Tuy nhiên, phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu HERIC 3 pha hiện đang thuộc bản quyền sản xuất của công ty Sunways Solar AG (Konstanz, Germany)
Mục đích luận văn: khảo sát, tìm hiểu về cấu trúc, giải thuật điều khiển các khóa đóng ngắt và xây dựng mô hình mô phỏng cho bộ nghịch lưu cầu một pha, bộ nghịch lưu
Trang 6HERIC 1 pha và bộ nghịch lưu cầu 3 pha, từ đó đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịc lưu HERIC 3 pha Đồng thời ứng dụng mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC 3 pha kết lưới hệ thống pin năng lượng Mặt Trời bằng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink
Ý nghĩa đề tài:
Đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu HERIC 3 pha nhằm cải thiện hiệu suất của bộ nghịch lưu cầu 3 pha và chứng minh khả năng kết lưới hệ thống pin Mặt Trời của mô hình HERIC 3 pha đã đề xuất
Tạo tài liệu tham khảo về bộ nghịch lưu HERIC 3 pha, đồng thời tạo điều kiện để phát triển thực nghiệm mô hình bộ nghịch lưu này ứng dụng vào kết lưới hạ thế với công suất cao
Trang 7MỤC LỤC
Lời cảm ơn I Giới thiệu luận văn II Mục lục IV Phụ lục hình VI Phụ lục bảng X
Chương 1: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG 1
1.1 Nguồn năng lượng Mặt Trời: 1
1.2 Hệ thống pin mặt trời: 3
1.3 Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới: 4
1.3.1 Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới trực tiếp: 5
Chương 2: BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG 7
2.1 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp [2]: 7
2.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM): 7
2.1.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM): 8
2.2 Tổn hao trên linh kiện: 10
2.2.1 Tổn hao công suất trên IGBT và Diode [7] [8] [9] [10]: 10
2.2.2 Mô hình tính tổn hao công suất trên linh kiện: 18
Chương 3: BỘ NGHỊCH LƯU HERIC 3 PHA 20
3.1 Giới thiệu: 20
3.2 Bộ nghịch lưu một pha: 20
3.2.1 Bộ nghịch lưu cầu H một pha: 20
3.2.2 Bộ nghịch lưu HERIC một pha: 24
3.3 Bộ nghịch lưu ba pha: 29
3.3.1 Bộ nghịch lưu cầu ba pha: 29
3.3.2 Bộ nghịch lưu HERIC ba pha: 33
Chương 4: ỨNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU HERIC BA PHA KẾT LƯỚI HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 40
4.1 Mô hình pin năng lượng Mặt Trời: 41
Trang 84.1.1 Mô hình toán của pin Mặt Trời: 41
4.1.2 Mô phỏng pin Mặt Trời trên Matlab/Simulink: 43
4.2 Bộ BuckBoost IncCond MPPT: 49
4.3 Bộ lọc và đồng bộ lưới điện: 50
4.3.1 Bộ lọc: 50
4.3.2 Đồng bộ lưới điện: 50
4.3.3 Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha: 53
4.3.4 Điều khiển bộ nghịch lưu HERIC ba pha: 54
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65
5.1 Kết luận: 65
5.2 Kiến nghị: 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
Trang 9PHỤ LỤC HÌNH
Hình 1.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ Mặt Trời qua lớp khí quyển của Trái Đất 1
Hình 1.2 : Hệ thống pin mặt trời 2
Hình 1.3 : Hệ thống CSP (Concentrating Solar Power) 3
Hình 1.4 : Phân bố công suất pin mặt trời theo vùng từ năm 1992 đến năm 2012 theo báo cáo của IEA-PVPS 3
Hình 1.5 : Công suất pin mặt trời kết nối lưới từ năm 1992 đến năm 2011 theo báo cáo của IEA-PVPS 4
Hình 1.6 : Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới cách ly về điện 5
Hình 1.7 : Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp 5
Hình 1.8 : So sánh các bộ biến đổi công suất 6
Hình 2.1: Phương pháp Sin PWM 7
Hình 2.2: Phương pháp SV PWM 9
Hình 2.3: Cách xác định giá trị UCE0, RC dựa vào đặc tuyến VCE và IC 11
Hình 2.4: Cách xác định giá trị UD, RD dựa vào đặc tuyến VF và IF 12
Hình 2.5: Giản đổ năng lượng quá trình mở của IGBT 14
Hình 2.6: Giản đồ năng lượng quá trính ngắt của IGBT 15
Hình 2.7: Giản đồ năng lượng hồi phục ngược của Diode 16
Hình 2.8: Điện lượng Qrr của Diode 16
Hình 2.9: Mô hình tính toán tổn hao dẫn IGBT 18
Hình 2.10: Mô hình tính toán tổn hao dẫn diode 18
Hình 2.11: Mô hình tính toán tổn hao đóng cắt IGBT 19
Hình 2.12: Mô hình tính toán tổn hao đóng cắt diode 19
Hình 3.1: Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector điện áp dương 20
Hình 3.2: Bộ Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector không S1 và S3 dẫn ở nữa bán kỳ dương điện áp 21
Hình 3.3: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu một pha 21
Trang 10Hình 3.5: Điện áp đầu ra bộ inverter 22
Hình 3.6: Điện áp và dòng điện tải 23
Hình 3.7: Phân tích FFT điện áp tải cầu một pha 23
Hình 3.8: Điện áp common-mod cầu một pha 24
Hình 3.9: Cấu trúc HERIC: vector điện áp dương 25
Hình 3.10: Cấu trúc HERIC: vector không, S6 dẫn ở nữa bán kỳ âm của điện áp 25
Hình 3.11: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC một pha 26
Hình 3.12: Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu HERIC một pha 26
Hình 3.13: Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu HERIC một pha 27
Hình 3.14: Điện áp và dòng tải của bộ nghịh lưu HERIC ba pha 27
Hình 3.15: Phân tích FFT của điện áp tải HERIC một pha 28
Hình 3.16: Điện áp common-mode của bộ nghịch lưu HERIC một pha 28
Hình 3.17: Bộ nghịch lưu cầu ba pha 29
Hình 3.18: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu ba pha 30
Hình 3.19: Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu cầu 3 pha 30
Hình 3.20: Điện áp và dòng tải pha A của bộ nghịch lưu cầu 3 pha 31
Hình 3.21: Phân tích FFT điện áp tải của cầu 3 pha 32
Hình 3.22: Điện áp common-mode của bộ nghịc lưu cầu 3 pha 32
Hình 3.23: Bộ nghịch lưu HERIC ba pha 33
Hình 3.24: Sóng điện áp 3 pha ABC và góc anpha của vector không gian tương ứng 34
Hình 3.25: Sơ đồ giải thuật điều khiển 3 khóa SA, SB, SC 35
Hình 3.26: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC ba pha 36
Hình 3.27: Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu HERIC ba pha 36
Hình 3.28: Điện áp và dòng tải pha A của bộ nghịch lưu HERIC 3 pha 37
Hình 3.29: Phân tích FFT áp tải bộ nghịc lưu HERIC 3 pha 38
Hình 3.30: Điện áp common-mode của bộ nghịc lưu HERIC 3 pha 38
Hình 4.1: Mô hình hệ thống pin Mặt Trời kết lưới sử dụng bộ nghịch lưu 2 bậc 40
Trang 11Hình 4.2: Mô hình ứng dụng hệ thống pin Mặt Trời kết lưới xoay chiều sử dụng bộ
nghịch lưu HERIC 3 pha 41
Hình 4.3: Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện 41
Hình 4.4: Mô hình mô phỏng pin Mặt Trời bằng Matlab 45
Hình 4.5: Mô hình các tấm pin mặt trời 46
Hình 4.6: Đặc tuyến pin Mặt Trời I_V; P_V 47
Hình 4.7: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời nối tiếp 47
Hình 4.8: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời song song 48
Hình 4.9: Đặc tuyến 4bộ (8 pin Mặt Trời) song song nối tiếp 48
Hình 4.10: Mô hình Buck-Boost sử dụng giải thuật IncCond 49
Hình 4.11: Khóa đóng ngắt điều khiển bộ Buck-Boost 49
Hình 4.12: Mô hình bộ lọc 3 pha L 50
Hình 4.13: Phát hiện điểm không 50
Hình 4.14: Sơ đồ các khối cơ bản của PLL 51
Hình 4.15: Khối hòa đồng bộ lưới PLL – Data Process được sử dụng trong mô hình mô phỏng 52
Hình 4.16: Mô hình chuyển đổi tín hiệu abc sang dq của khối PLL – Data Process 52
Hình 4.17: Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha 53
Hình 4.18: Mô hình tạo điện áp xoay chiều sin cho từng pha 53
Hình 4.19: Khối Controller tạo tín hiệu điều khiển các khóa 54
Hình 4.20: Áp điều khiển được tạo ra bằng phương pháp điều khiển vectơ dòng điện trong hệ tọa độ quay 54
Hình 4.21: Khối Coupling current control xác định giá trị Vd, Vq 55
Hình 4.22: Dạng sóng Va_Ia; I_filter; I_Grid_supply; và Udc 56
Hình 4.23: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (80 pin) 57
Hình 4.24: Điện áp sau bộ nghịch lưu (80 pin) 57
Hình 4.25: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (80 pin) 58
Hình 4.26: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (80 pin) 58
Trang 12Hình 4.28: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin) 60
Hình 4.29: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin) 60
Hình 4.30: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin) 61
Hình 4.31: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (160 pin) 61
Hình 4.32: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, G = 0,5) 62
Hình 4.33: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, G = 0,5) 62
Hình 4.34: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, G = 0,5) 62
Hình 4.35: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (160 pin, G = 0,5) 63
Hình 4.36: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, R = 20Ω) 63
Hình 4.37: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, R = 20Ω) 63
Hình 4.38: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, R = 20Ω) 64
Hình 4.39: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (160 pin, R = 20Ω) 64
PHỤ LỤC BẢNG Bảng 3.1: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu cầu một pha 24
Bảng 3.2: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu HERIC một pha 29
Bảng 3.3: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu cầu 3 pha 33
Bảng 3.4: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu HERIC 3 pha 34
Bảng 4.1: Thông số pin Mặt Trời SX3200 của BP Solar 45
Trang 13Chương 1: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI
1.1 Nguồn năng lượng Mặt Trời:
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào được con người khai thác, sử dụng từ rất sớm Trái đất nhận được 174 petawatts (1PW = 1015 W)[10] của bức
xạ Mặt Trời đến Khoảng 30% được phản xạ trở lại không gian trong khi phần còn lại được hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và đất
Hình 1.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ Mặt Trời qua
lớp khí quyển của Trái Đất
Sự cạn kiệt dần của nguồn năng lượng hóa thạch và các vấn đề về môi trường hiện nay thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng mặt trời là một nhánh được phát triển mạnh mẽ
Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong dãy phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với dải bờ biển dài, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để
Trang 14thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng
Hệ thống điện mặt trời là hệ thống chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng: có
Hình 1.3: Hệ thống CSP (Concentrating Solar Power)
Trang 151.2 Hệ thống pin mặt trời:
Khoảng 10 năm trở lại đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ công nghệ vật liệu,
pin mặt trời ngày càng được cải thiện về mặt hiệu suất và giảm bớt giá thành Điều này
làm cho điện mặt trời trở thành giải pháp năng lượng khả thi và thu hút hơn
Sự phát triển của pin mặt trời từ năm 1992 đến năm 2012 ở hình 1.4 bên dưới cho
thấy sự tăng vọt công suất lắp đặt hệ thống pin mặt trời trong vài năm gần đây: 36GWp
năm 2010, 64GWp năm 2011 và 95GWp năm 2012
Hình 1.4: Phân bố công suất pin mặt trời theo vùng từ năm 1992 đến
năm 2012 theo báo cáo của IEA-PVPS [4]
Chi phí hiện tại cho một hệ thống pin mặt trời còn đắt so với các nguồn năng
lượng truyền thống do giá thành sản xuất pin mặt trời khá cao Tuy nhiên, các ưu điểm
như nguồn năng lượng mặt trời là vô tận và dễ dàng lấy được ở mọi nơi, hệ thống pin mặt
trời không có bộ phận chuyển động, tuổi thọ cao nên không cần bảo trì nhiều, … làm cho
các ứng dụng pin mặt trời thật sự hấp dẫn
Trang 161.3 Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới:
Hiện nay, ngoài các ứng dụng trong vũ trụ và trong dân dụng, phần lớn công suất lắp đặt của pin mặt trời được kết nối với hệ thống lưới điện cung cấp nguồn năng lượng sạch cho tương lai (Hình 1.5)
Hình 1.5: Công suất pin mặt trời kết nối lưới từ năm 1992 đến
năm 2011 theo báo cáo của IEA-PVPS [4]
Mặc dù ở nước ta hiện tại chưa được phép kết nối pin mặt trời với hệ thống lưới điện, nhưng đây là xu thế tất yếu để phát triển nguồn năng lượng sạch của tương lai mà nhiều nước phát triển đã và đang thực hiện
Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới thường được xét một số đặc điểm như:
- Chi phí
- Kích thước và khối lượng
- Hiệu suất
- An toàn
Trang 171.3.1 Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới trực tiếp:
Phụ thuộc vào sự cách ly về điện giữa các tấm pin mặt trời và hệ thống lưới điện
mà hệ thống pin mặt trời được chia thành kết lưới trực tiếp hoặc cách ly về điện Sự cách
ly này do máy biến áp tạo ra Tuy nhiên, máy biến áp là phần tử gây tổn hao lớn đến hiệu
suất chuyển đổi DC/AC của hệ thống pin mặt trời kết lưới
Hình 1.5: Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới cách ly về điện: dùng máy biến áp tần số thấp (LF transformer) phía lưới (a), hoặc dùng máy
biến áp tần số cao (HF transformer) (b)
Hình 1.6: Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp: không
có bộ boost (a), có bộ boost điện áp (b)
Ưu điểm lớn nhất của hệ thống kết lưới trực tiếp là làm tăng hiệu suất của toàn hệ
thống tăng lên khoảng 2% nhờ bỏ qua tổn hao khi có máy biến áp
Khuyết điểm của hệ thống kết lưới trực tiếp là không có máy biến áp tạo sự cách ly
nên dòng điện DC qua bộ inverter có thể đi vào lưới AC Dòng điện DC này có thể gây bão hòa từ lõi của các phần tử trong máy biến áp phân phối dẫn đến quá nhiệt và làm sai
tín hiệu bảo vệ
Trang 18Hình 1.7: So sánh các bộ biến đổi công suất
Hình 1.7 được thực hiện từ số liệu thống kê hơn 400 bộ biến đổi công suất trên thị trường [1] Từ hình 1.7 có thể thấy được hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp có kích thước và khối lượng nhỏ hơn, hiệu suất lớn hơn so với trường hợp có sự cách ly về điện
Trang 19Chương 2: BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI
Trong hệ thống pin mặt trời, bộ nghịch lưu làm nhiệm vụ chuyển đổi điện áp 1 chiều từ pin mặt trời thành điện áp xoay chiều điều khiển được ở ngõ ra
Bộ nghịch lưu áp một pha thường được sử dụng với các hệ thống pin mặt trời
cá nhân có công suất nhỏ hơn 5kW như cầu H một pha, NPC (Neutral Point Clamped) một pha, …
Bộ nghịch lưu áp ba pha thường được sử dụng với các hệ thống pin mặt trời công suất lớn hơn, trường hợp lưới hạ thế có thể lên đến 25kW: bộ nghịch lưu cầu 3 pha, NPC ba pha, …
Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) và quy tắc kích đóng đối nghịch
Phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
Hình 2.1: Phương pháp Sin PWM
Trang 20Tần số sóng mang càng cao lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều nhưng phát sinh tổn hao do tăng số lần đóng ngắt khóa Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi phải
có thời gian đóng, cắt nhất định Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang
Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn và tần số của hài cơ bản ngõ ra, trong đó:
mf - tỉ số điều chế tần số:
reference
carrier f
reference m aU
Um
−
−
=
(2.2)
thành phần hài cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính
Đối với bộ nghịch lưu áp 1 pha, biên độ áp pha hài cơ bản:
U m U
a m
Đối với bộ nghịch lưu áp 3 pha, biên độ áp pha hài cơ bản:
2
) 1 (
UmU
a m
Phương pháp điều chế vector không gian khắc phục được nhược điểm của phương pháp Sin PWM Phương pháp SVPWM tạo ra sự di chuyển liên tục trên quỹ đạo đường tròn của vector không gian tương đương của vector điện áp yêu cầu Vector tương đương ở đây là vector điện áp trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu (Ts)
Trang 21Hình 2.2: Phương pháp SV PWM
r
có độ lớn V bằng với biên độ điện áp pha của sóng cần điều chế và góc lệch α có giá trị từ 0 đến 2π trong một chu kỳ của điện áp điều chế (f = 50Hz) (hình 2.2) Xét góc phần sáu thứ nhất của
r
sT
T1
1 = τ
sT
T2
2 = τ
2 1
0 1 τ τ
τ = − −
Trang 22Khi đó, ở mỗi chu kỳ lấy mẫu ta có thể tính τ0 , τ1 , τ2 như sau:
) 3 / sin(
3
dV
V
) sin(
3
τ
dV
V
=
(2.6)
2 1
Hiệu suất đạt được của một cấu hình nghịch lưu là rất quan trong, việc mô phỏng đánh giá hiệu suất sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về cấu hình đó, dể dàng so sánh các cấu hình nghịch lưu ở các điều kiện hoạt động khác nhau mà không cần phải thực hiện mạch thực tế
Việc tính toán tổn hao trên linh kiện bán dẫn sẽ giúp việc chọn lựa linh kiện cho các mạch công suất một cách dễ dàng, dự đoán được nhiệt độ tiếp xúc tối đa của linh kiện và hiệu suất của mạch công suất
Khi một linh kiện bán dẫn hoạt động có bốn tổn hao xảy ra: tổn hao dẫn (conducting loss), tổn hao trạng thái tắt (off state losses), tổn hao đóng cắt (switching losses) và tổn hao trong quá trình hoạt động (driving losses) So sánh với tổn hao quá trình dẫn và đóng cắt thì off-state and driving losses rất nhỏ và có thể bỏ qua
và EOFF) và tần số đóng cắt (fsw)
kiện và giá trị dòng điện qua linh kiện bán dẫn
Trang 23Các thông số trên được nhà sản xuất cung cấp trên datasheet của linh kiện, tùy theo điều kiện hoạt động, chế độ làm việc mà ta sẽ lựa chọn cho thích hợp
Hình 2.3 Cách xác định giá trị UCE0, RC dựa
vào đặc tuyến VCE và IC Tất cả datasheet linh kiện nhà sản suất đều cung cấp đặc tuyến trên [9], việc
kiện, điện áp mà linh kiện phải chịu khi hoạt động, nhiệt độ linh kiện trong suốt quá trình vận hành của mạch để có thể chọn được đường cong thích hợp với điều kiện thực
tế, giảm sai số so với thực nghiệm
Trang 24Tương tự ta dựa vào đặc tuyến VF và IF của Diode để xác định UD và rD:
Hình 2.4 Cách xác định giá trị UD, RD dựa vào đặc tuyến VF và IF
UD0 : (on-state voltage) điện áp dẫn Diode
RD: (on-state resistance) điện trở trạng thái dẫn diode
2.2.1.1 Tổn hao dẫn ( conduction losses):
Tổn hao dẫn là tổn hao xảy ra trong quá trình linh kiện công suất ở trạng thái dẫn
và đang dẫn dòng điện qua nó Do đó, công suất trên IGBT được tính như sau:
Với ic: dòng điện tải và von là điện áp trạng thái bão hoà Điện áp von được tính xấp
xỉ như sau:
VCEO:điện áp dẫn trạng thái tĩnh
RC: điện trở dẫn của linh kiện công suất
Trang 25Phương trình giá trị tức thời uCE0 và uD theo dòng tức thời iC (qua IGBT) và iD (qua Diode):
Icrms: trị hiệu dụng dòng qua IGBT trong lúc dẫn
Công suất tổn hao tức thời của Diode:
Công suất trung bình trong một chu kỳ dóng cắt:
(2.15) Với IDav : dòng trung bình qua Diode trong lúc dẫn
IDrms: trị hiệu dụng dòng qua Diode trong lúc dẫn
Để tính tổn hao do diode kẹp ta dùng công thức trên với Tsw là thời gian On của diode kẹp
2.2.1.2 Tổn hao quá trình đóng cắt (hard-switching losses )
Tổn thất trong quá trình đóng cắt (hard-switching losses) bao gốm hai thành phần
là tổn hao trong quá trình mở (turn-on energy) và quá trính tắt (turn-off energy) Cũng như tổn hao dẫn, tổn hao trong quá trình đóng cắt được đặc trưng bằng đặc tuyến và
Trang 26thông tin trên datasheet [9].Switching losses trình bài trong datasheet được tính toán dựa vào test current mô phỏng một tải quy nạp
Switching losses thì phụ thuộc vào nhiêt độ nên các tính toán nên dựa vào điều kiện nhiệt độ xấu nhất
a) (Turn-on energy) năng lượng tổn hao quá trinh ON linh kiện:
EON:được tính trong khoảng thời gian từ 10% của dòng điện test (IC) tăng đến 90% điện áp test (VCE) giảm
Hình 2.5 Giản đổ năng lượng quá trình mở của IGBT
b) (Turn-off energy) năng lượng tổn hao quá trình OFF của linh kiện:
EOFF: đây là năng lượng được xác định trong một chu kì bắt đầu từ 10% điện áp test tăng (VCE) đến 90% dòng điện test (IC)
Trang 27Hình 2.6 Giản đồ năng lượng quá trính ngắt của IGBT
Tương tự như “conduction losses” thì Switching losses có thể tính toán dựa vào thuật toán tương đối đơn giản
Đối với IGBT :năng lượng trong quá trình đóng và cắt chủ yếu là :
ESW= EON+EOFF = + (2.16) Đối với Diode: Cường độ dòng điện hồi phục ngược[1]:
Trang 28Hình 2.7 Giản đồ năng lượng hồi phục ngược của Diode
Hình 2.8 Điện lượng Qrr của Diode
IRM: dòng điện ngược cực đại của Diode
Qrr : stored charge là điện lượng trong quà trình ON của Diode
Diode giải phóng năng lượng khi turn-off,quá trình này trong thời gian rất ngắn
trr
+ Diode schottky điện áp thấp Vf< 1V thì trr < 10ns
Trang 29+Diode điện áp trung bình: Vf = 1V thì trr < 40ns
+ Fast Diode thì: Vf = 1.3V thì trr < 140ns
(2.17)
EonT : turn-on energy losses
EonMi : switch-on energy without taking the reverse recovery process into account
EonMrr :witch-on energy caused by the reverse recovery of the free-wheeling diode
IDrrpeak: the peak reverse recovery current
Ta tính được năng lượng trong quá trình ON của Diode :
Turn-on energy của diode chủ yếu là năng lượng reverse-recovery
UDrr: điện áp trên diode trong thời gian hồi reverse recovery, có giá trị xấp xỉ UDD ( supply voltage) [1]
(2.19)
EoffT trên diode rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua (EoffT=0)
Ta có tổn hao đóng cắt trên IGBT:
Và tổn hao đóng cắt trên diode:
Trang 302.2.2 Mô hình tính tổn hao công suất trên linh kiện:
Từ các công thức xác định tổn hao ở phần 2.2.1 ta thực hiện mô hình Simulink tính toán tổn hao cho IGBT và diode mắc đối song như sau:
Từ công thức tính tổn hao dẫn của IGBT 2.13 và các thông số xác định được từ [9]
ta thực hiện sơ đồ tính tổn hao dẫn cho IGBT:
Hình 2.9 Mô hình tính toán tổn hao dẫn IGBT
Từ công thức tính tổn hao dẫn của diode 2.15 và các thông số xác định được từ [9]
ta thực hiện sơ đồ tính tổn hao dẫn cho diode đối song:
Hình 2.10 Mô hình tính toán tổn hao dẫn diode
Trang 31Từ công thức tính tổn hao đóng cắt của IGBT 2.20 và các thông số xác định được
từ [9] ta thực hiện sơ đồ tính tổn hao đóng cắt cho IGBT:
Hình 2.11 Mô hình tính toán tổn hao đóng cắt IGBT
Từ công thức tính tổn hao đóng cắt của diode 2.21 và các thông số xác định được
từ [9] ta thực hiện sơ đồ tính tổn hao đóng cắt cho diode:
Hình 2.12 Mô hình tính toán tổn hao đóng cắt diode
Trang 32Chương 3: BỘ NGHỊCH LƯU HERIC 3 PHA
3.1 Giới thiệu:
Cấu trúc bộ nghịch lưu HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) công bố năm 2011 bởi Heribert Schmidt với ưu điểm cải thiện được hiệu suất chuyển đổi DC/AC Hiện nay, phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu HERIC 3 pha thuộc bản quyền sản xuất của công ty Sunways Solar AG (Konstanz, Germany)
Chương 3 thực hiện kiểm chứng bằng cách khảo sát và mô phỏng các bộ nghịch lưu: bộ nghịch lưu cầu một pha, bộ nghịch lưu HERIC một pha, bộ nghịch lưu cầu ba pha bằng chương trình mô phỏng Simulink của Matlab Từ đó, đề xuất giải thuật điều khiển
và mô phỏng bộ HERIC ba pha sử dụng chương trình mô phỏng Simulink của Matlab 3.2 Bộ nghịch lưu một pha:
3.2.1 Bộ nghịch lưu cầu H một pha:
Bộ nghịch lưu cầu một pha gồm 4 khóa S1, S2, S3, S4 và 4 diode mắc đối song
Bộ nghịch lưu được điều khiển theo nguyên tắc sinPWM đã trình bày ở phần 2.2.1, chương 2
Hình 3.1 Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector điện áp dương khi khóa
S1 và khóa S4 dẫn ở nữa bán kỳ dương điện áp
Trang 33Hình 3.2 Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector không, S1 và S3 dẫn ở nữa bán kỳ dương điện áp
Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu một pha:
Hình 3.3 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu một pha
Trang 34Bốn khóa S1, S2, S3, S4 đư
Hình 3.4 Mô hình Thông số mô phỏng:
n khóa S1, S2, S3, S4 được điều khiển theo phương pháp sinPWM:
Hình 3.4 Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu cầu một pha
ỏng:
Hình 3.5 Điện áp đầu ra bộ inverter
phương pháp sinPWM:
Trang 35Hình 3.6 Điện áp và dòng điện tải
Hình 3.7 Phân tích FFT điện áp tải
Trang 36Hình 3.8 Điện áp common-mod
Như đã nhận xét điện áp common-mode của bộ nghịc lưu cầu một pha thay đổi lớn
ở tần số cao điều này dẫn đến dòng rò lớn nên bộ nghịch lưu cầu một pha không thích hợp sử dụng trong mô hình kết lưới trực tiếp
Tổn hao trên linh kiện được tính theo mô hình ở phần 2.2.2, chương 2:
Bảng 3.1 Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch
lưu cầu một pha
3.2.2 Bộ nghịch lưu HERIC một pha:
Bộ nghịch lưu HERIC một pha được phát triển từ bộ nghịch lưu cầu H một pha được thêm vào 2 khóa S5, S6 (hình 3.1) Hai khóa này sẽ thực hiện ngắn mạch đầu ra của
bộ nghịch lưu, ngắt kết nối giữa pin mặt trời và lưới điện ở trạng thái vector không
Trang 37Hình 3.9 Cấu trúc HERIC: vector điện áp dương khi khóa S1 và khóa S4 dẫn ở nữa bán kỳ dương điện áp
Hình 3.10 Cấu trúc HERIC: vector không, S6 dẫn ở nữa
bán kỳ âm của điện áp
S1, S2, S3, S4 được điều khiển giống bộ nghịch lưu cầu một pha Trong suốt nữa bán kỳ dương của điện áp khóa S6 được đóng và sẽ dẫn khi khóa S1 và S4 ngắt (hình 3.2) Tương tự ở nữa bán kỳ âm của điện áp, khóa S5 được đóng và sẽ dẫn khi khóa S2
và S3 ngắt
Trang 38Như vậy, ở trạng thái vector không khóa S5
ng thái vector không khóa S5 và S6 được dùng đề nố
t trời được cách ly khỏi lưới điện do cặp khóa S1
Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC một pha:
Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC một pha
Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu HERIC một pha
ối tắt đầu ra của
p khóa S1-S4 hoặc
ột pha
ột pha
Trang 39Hình 3.13 Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu HERIC một pha
Hình 3.14 Điện áp và dòng tải của bộ nghịh lưu HERIC ba pha
Trang 40Hình 3.15 Phân tích FFT của điện áp tải
Điện áp điều chế được có dạn sin biên độ 311,6 (V), độ méo dạng THD = 0,66%
Hình 3.16 Điện áp common-mode của bộ nghịch lưu HERIC một pha