Điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới trên cơ sở trí tuệ nhân tạo

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nư

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

( Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(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… tháng…… năm 2012 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) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

TRƯỜNG ÐẠI HỌC BÁCH KHOA

-oOo -NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: HOÀNG TRỌNG PHÚC Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 24-08-1985 Nơi sinh: Tp Vũng Tàu

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MSHV: 10180095

TÊN ĐỀ TÀI: “ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI

LƯỚI TRÊN CƠ SỞ TRÍ TUỆ NHÂN TẠO ”

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :

1 Nghiên cứu lý thuyết năng lượng mặt trời

2 Nghiên cứu các giải thuật MPPT và Fuzzy Logic

3 Ứng dụng mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới trên Matlab

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày…… tháng …… năm 2012

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 25 tháng 06 năm 2012

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã đông viên, giúp đỡ và tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012 Học viên

Hoàng Trọng Phúc

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Tóm tắt luận văn

- Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay Năng lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch và miễn phí Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới

- Luận văn này góp phần nghiên cứu việc xây dựng mô hình điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới một cách ổn định Một trong những hướng nghiên cứu chính của luận văn là thuật toán MPPT ( Maximum Power Point Tracking ) ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào việc kết nối lưới để xây dựng mô hình mô phỏng Matlab về hệ thống Pin mặt trời kết nối lưới thông qua các mô hình toán cụ thể

- Luận văn được chia thành 5 chương với nội dung nghiên cứu lần lượt như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống pin mặt trời

Chương 2: Mô hình hệ thống PV kết nối lưới

Chương 3: Các giải thuật MPPT và MPPT kết hợp Fuzzy Logic

Chương 4: Mô hình mô phỏng Matlab

Chương 5: Kết quả đáp ứng của mô hình

Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển

Cuối cùng là phụ lục và tài liệu tham khảo

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Mục Lục

Nhiệm vụ của luận văn

Lời Cảm ơn

Tóm tắt luận văn

Mục lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 7

1.1 Giới thiệu chung 7

1.1.1 Giới thiệu về năng lượng mặt trời 7

1.1.2 Các hệ thống PV ứng dụng 9

1.2 Tổng quan về Pin quang điện 9

1.2.1 Cấu trúc vật lý của Pin quang điện 13

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời 15

1.2.3 PV array 16

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG PV KẾT NỐI LƯỚI 21

2.1 Cấu trúc thành phần của hệ thống PV 21

2.2 Cấu trúc DC/DC – DC/AC 22

2.3 PLL 26

2.3.1 Phase detector 27

2.3.2 VCO 27

2.3.3 Bộ nghịch lưu 6 khóa và giải thuật space vector 32

2.3.3.1 Bộ nghịch lưu 6 khóa 32

2.3.3.2 Điều chế vecter không gian ( space vecter ) 34

CHƯƠNG 3 CÁC GIẢI THUẬT MPPT VÀ MPPT KẾT HỢP FUZZY LOGIC 35

3.1 Giải thuật MPPT (maximum power point tracking) 35

3.1.1 Giải thuật P&O ( Perturb and Observation ) 36

3.1.2 Giải thuật tăng tổng dẫn - Incremental Conductance (InCond) 38

3.1.3 Giải thuật EPP (Estimate, Purturb And Purturb) 40

3.2 Fuzzy Logic và MPPT ứng dụng Fuzzy Logic 41

3.2.1 Điều khiển mờ - Fuzzy Logic 41

3.2.2 Ứng dụng Fuzzy Logic 46

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG MATLAB 51

4.1 Mô hình PV 3 pha nối lưới trên Matlab Simulink 51

4.2 Khối PV system 52

4.3 Khối DC/DC MPPT 53

4.4 Khối 3 PHASES PLL và biến đổi DQ 62

4.5 Khối điều khiển dòng (PI controller) 64

4.6 Khối điều chế vectơ không gian (SVPWM & Driver) 65

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG MÔ HÌNH 66

CHƯƠNG 6 TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 86

PHỤ LỤC 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

PIN MẶT TRỜI

1.1 Giới thiệu chung:

1.1.1 Giới thiệu về năng lượng mặt trời:

- Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn năng lượng mà chúng ta được biết Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do mặt trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình Bức xạ mặt trời chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên trái đất Năng lượng của mặt trời dù rất dồi dào nhưng việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này thì vẫn còn là một câu chuyện dài

- Năng lượng mặt trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: Nhiệt năng và Quang năng Các

tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóa trực tiếp năng lượng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử dụng sau đó Các tấm tế bào quang điện hay còn gọi là pin mặt trời hiện đang được sử dụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc khác Pin mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là một nguồn

bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính thông thường Tại các vùng chưa có điện lưới như các cộng đồng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp, pin mặt trời có thể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy Điều bất cập duy nhất là giá thành của Pin mặt trời đến nay còn cao và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng chưa thật sự cao (13-15%) Trái lại sức nóng của mặt trời có hiệu suất chuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất của quang điện, và do vậy đơn giá của một đơn vị năng lượng được tạo ra rẻ hơn rất nhiều

- Nhiệt năng có thể được sử dụng để sưởi nóng các tòa nhà một cách thụ động thông qua việc sử dụng một số vật liệu hoặc thiết kế kiến trúc, hoặc được sử dụng trực tiếp để đun nóng nước phục vụ cho sinh hoạt Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thế giới thiết

bị đun nước nóng dùng năng lượng mặt trời (bình nước nóng năng lượng mặt trời) hiện đang là một sự bổ sung quan trọng hay một sự lựa chọn thay thế cho các thiết bị cung cấp nước nóng thông thường dùng điện hoặc gaz

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

- Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng

- Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay Năng lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch và miễn phí Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới

- Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với số giờ nắng trung bình 2200 giờ/năm và cường độ bức xạ cao nhất có thể đến 980W/m2 Do đó việc

sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời, dùng năng lượng mặt trời chạy các động cơ nhiệt ( động cơ Stirling ), và ứng dụng năng lượng mặt trời để làm lạnh là đề tài hấp dẫn có tính thời sự

và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu

Hình 1.1 : Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

1.1.2 Các hệ thống PV ứng dụng:

o Hệ thống PV kết nối lưới:

- Hệ thống kết lưới PV góp phần gia tăng công suất cho hệ thống lưới điện quốc gia

và tiết kiệm chi phí dùng điện cho các hộ sử dụng cũng như các công ty ở các nước phát triển Hơn nữa hệ thống PV kết lưới không cần phải có các thiết bị lưu trữ vì công suất không dùng hết có thể cấp hết lên lưới Trong những năm gần đây, hệ thống kết lưới gia tăng đáng kể trên toàn thế giới Trong năm 2004, ở Đức gần 1 tỷ watt hệ thống PV kết lưới được lắp đặt Các hệ thống kết lưới để sử dụng ở một đất nước, cần phải có sự hỗ trợ

và tiêu chuẩn từ chính phủ Chất lượng điện năng rất quan trọng trong các hệ thống này

Hình 1.2 : Hệ thống PV kết nối lưới

- PV đầu tiên được ứng dụng độc lập Đối với những vùng nông thôn, vùng núi cao, hay ở những vùng hẻo lánh của các nước đang phát triển, nơi mà lưới điện quốc gia chưa cung cấp đến, thì việc sử dụng các hệ thống PV độc lập hoàn toàn cấp thiết Nguồn điện lấy xuống từ PV sẽ được cấp cho tải DC hoặc qua hệ thống nghịch lưu rồi cấp cho tải

AC Phần lưu trữ cũng rất quan trọng, giúp lưu năng lượng và phát lại

Hình 1.3 : Hệ thống PV độc lập

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

- Hầu hết các trường hợp ứng dụng trong các hệ thống lớn, hệ thống PV thường được dùng thêm với máy phát diesel Đối với trường hợp đó, hệ thống PV độc lập thường không thể cung cấp đủ nguồn năng lượng yêu cầu cho tải Hệ thống PV kết hợp máy phát vừa đáp ứng đủ yêu cầu của tải vừa sử dụng được thêm nguồn năng lượng từ PV

Hình 1.4 : Hệ thống PV kết hợp

 Tình trạng, xu hướng phát triển tại Việt Nam:

- Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay ứng dụng NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

- Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế

đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục

vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta

- Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết

bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia Trong sinh hoạt

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời phát điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng Để hiểu được hết tác dụng, hiệu quả và tầm quan trọng của hệ thống pin mặt trời phát điện, chúng ta có thể tìm hiểu sơ đồ nguyên lý hệ thống điện pin mặt trời nối lưới điển hình dưới đây:

- Khu vực phía Nam ứng dụng các dàn PMT phục vụ thắp sáng và sinh hoạt văn hoá tại một số vùng nông thôn xa lưới điện Các trạm điện mặt trời có công suất từ 500 - 1.000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử dụng Các dàn PMT có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm

xá và các cụm văn hoá xã Đến nay có khoảng 800 - 1.000 dàn PMT đã được lắp đặt và

sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5 - 70 Wp Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứng dụng PMT Hiện tại ở khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với PMT có công suất lớn nhất Việt Nam,

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

+ Dự án phát điện lai ghép giữa PMT và động cơ gió phát điện với công suất là 9 kW, trong đó PMT là 7 kW Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành

- Các dàn pin đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp Các dàn đã lắp đặt ứng dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có công suất từ 200 - 800 Wp Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp và truyền thông; đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành

- Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn PMT phát triển với tốc độ khá nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên phòng Công suất của dàn pin dùng cho hộ gia đình từ 40 - 75 Wp Các dàn dùng cho các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 - 300 Wp Các dàn dùng cho trạm xá và các cụm văn hoá thôn, xã là 165 - 525 Wp

- Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn trong nước (từ ngân sách) tài trợ:

+ Dự án PMT cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc Tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp Dự án trên do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới Trường đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp sáng và truyền thông, đối tượng phục vụ là bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành

+ Dự án PMT cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo Cô Tô Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp Dự án trên do Viện Năng lượng thực hiện Công trình

đã vận hành từ tháng 12/2001

+ Công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án PMT có công suất là 6.120 Wp phục

vụ cho trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình Dự án trên được lắp đặt tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng

+ Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002 Tổng công suất dự án là 3.000 Wp, cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, chủ yếu để thắp sáng và truyền thông, đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

- Trung tâm Hội nghị Quốc gia sử dụng ĐMT: Tổng công suất pin mặt trời 154 kWp

là công trình ĐMT lớn nhất ở Việt Nam Hệ thống pin mặt trời hòa vào mạng điện chung của Trung tâm Hội nghị quốc gia

- Trạm pin mặt trời nối lưới Viện Năng lượng công suất 1.080 Wp bao gồm 8 môđun

- Trạm pin mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công thương, 54 Hai

Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội Công suất lắp đặt 2.700 Wp

- Lắp đèn năng lượng mặt trời trên đường phố Đà Nẵng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời Hệ thống thu góp điện năng được “dán” thẳng trên thân trụ đèn Bên trong trụ có tám bình ắc qui dùng để tích năng lượng

- Hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió đầu tiên được lắp đặt thành công tại Ban quản lý dự án Công nghệ cao Hòa Lạc Hai cột đèn trị giá 8.000 USD, do Công ty cổ phần tập đoàn quốc tế Kim Đỉnh lắp đặt Hiện tại, hai cột đèn này có thể sử dụng trong 10 h mỗi ngày, có thể thắp sáng bốn ngày liền nếu không có nắng và gió

1.2 Tổng quan về Pin quang điện:

1.2.1 Cấu trúc vật lý của Pin quang điện:

- Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện 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

- Nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời Và hai tiêu chuẩn, hiệu suất và giá cả

o Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m², trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W Hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không hình thù và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa,

sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

o Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo điện, là tính toán cụ thể trên từng kilo Watt giờ (kWh) Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1 yếu tố quyết định trong giá thành Nói chung hiệu suất của toàn hệ thống là tầm quan trọng của nó Để tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng, điện năng tạo nên nối với mạng

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

lưới điện sử dụng inverter, trong các phương tiện di chuyển, hệ thống ắc quy sử dụng để lưu trữ nguồn năng lượng không sử dụng hiện tại Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15% Giá của điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều

- Cho tới hiện nay, vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

o Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

o Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

o Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Hình 1.6 : Quá trình tạo Module Pin PV

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời:

Hình 1.8 : Nguyên lý hoạt động của Pin PV

- Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

+ Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn + Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn

- Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử

sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ trống" Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống" và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn

- Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

1.2.3 PV array:

Phương trình toán và đặc tuyến của 1 cell PV

o Do 1 cell PV được cấu tạo từ bán dẫn p-n, nên ta có thể tương đương thành 1 diode mắc song song với 1 nguồn dòng có điện trở nội

Hình 1.9 : Mô hình PV

(2.1)

Áp dụng công thức Shockley cho diode ta có:

 (2.2) Trong đó:

 thay đổi theo nhiệt độ : ) (2.3)

 Cùng 1 nhiệt độ, thay đổi theo bức xạ:

(2.4)

 thay đổi theo nhiệt độ:

(2.5)

 ở nhiệt độ chuẩn: (2.6)

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

 Ứng với nhiệt độ và bức xạ khác nhau PV cung cấp cho tải những công suất khác nhau:

Hình 1.12: Ảnh hưởng của bức xạ đối với đặc tính của cell pin

Hình 1.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đặc tính của cell pin Đặc điểm của Tấm pin mặt trời:

 Các cell pin khi mắc nối tiếp sẽ làm tăng áp hở mạch của pin

Hình 1.14: Đặc tuyến khi mắc nối tiếp các cell pin

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

 Nếu các cell pin khi mắc nối tiếp không được chiếu sáng đồng đều, thì sẽ có 1 một

số cell pin xuất hiện dòng ngược, dẫn đến đảo cực tính của các cell pin đó, điều này sẽ làm hỏng cell pin do dòng dương từ các cell pin được chiếu sáng

Hình 1.15: Đảo cực tính của cell pin không được chiếu sáng

 Vì vậy,ta cần có diode bypass để bảo vệ cell pin không được chiếu sáng

Hình 1.16: Diode bypass để bảo vệ các cell pin

 Các cell pin khi mắc song song làm tăng dòng ngắn mạch

Hình 1.17: Đặc tuyến các cell pin khi mắc song song

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

 Tấm pin mặt trời:

Hình 1.18: Tấm pin mặt trời

 Công suất cực đại từ pin mặt trời

Hình 1.19: MPP của 1 cell pin

 Trên đặc tuyến của PV, ở một nhiệt độ và bức xạ nhất định, ta chỉ có 1 điểm cho

công suất cực đại ( Vậy làm thế nào để khi điều kiện môi trường và tải thay

đổi, ta vẫn bắt được điểm công suất cực đại này để cung cấp cho tải Giải thuật tìm kiếm

MPP (maximum power point) và mạch DC/DC Converter sẽ làm điều này

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

CHƯƠNG 2:MÔ HÌNH HỆ THỐNG PV KẾT NỐI LƯỚI

2.1 Cấu trúc thành phần của hệ thống PV:

Hình 2.1 : Sơ đồ khối mô tả hệ thống PV kết nối lưới

- Có hai nhóm cấu hình chính sử dụng trong việc kết nối lưới hệ thống PV là cách ly

và không cách ly:

+ Dạng biến đổi có cách ly: Có thể sử dụng dạng nâng áp DC – DC sử dụng Transformer tần số cao, nghịch lưu và lọc đầu ra LC sau đó kết nối với lưới điện Hoặc sử dụng nghịch lưu điện áp thấp rồi dùng Transformer tần số thấp nâng mức điện áp bằng với điện áp hệ thống và kết nối vào lưới điện

Hình 2.2: (a)Kiểu Low Frequency Transformer (b) Kiểu High Frequency Transformer

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

 Trong phương pháp “Low Frequency Transformer”, năng lượng điện lấy ra từ Solar Panel dưới dạng điện áp một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu (Inverter) và bộ lọc điện dung để biến đổi thành điện xoay chiều áp thấp Điện áp này được chuyển đưa qua máy biến áp lõi thép để nâng mức điện áp lên 220V để cung cấp cho tải AC

 Cấu hình “High Frequency Transformer” cần thêm 1 tầng biến đổi dạng DC/DC

có sử dụng biến áp xung, đóng cắt ở tần số cao với các phương pháp như Flyback, Halfbridge, Fullbridge… nhằm nâng điện áp thấp từ pin Mặt Trời thành điện áp DC đủ cao để phục vụ cho việc nghịch lưu trực tiếp 220/380 đưa vào tải

 Dạng biến đổi không cách ly bằng máy biến áp – Transformerless: Là biến đổi trực tiếp năng lượng dạng điện một chiều từ ngõ ra PV và đưa lên lưới thông qua các

bộ nâng áp DC không cách ly Hầu hết những phát triển quan trọng của dạng Transformerless với mục đích là hiệu suất cao hơn, đầu tư hệ thống ít và đơn giản hơn ở qui mô lớn Kiểu Transformerless có thể có hiệu suất tối đa lên đến 98% trong khi cấu hình cách ly dùng Transformer cả tần số thấp lẫn tần số cao chỉ đạt hiệu suất tối đa là 95% - 96%

- Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Hình 2.4 thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch,

và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Hình 2.4 : Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển

- Ở đây ta chỉ đề cập đến bộ biến đổi Buck-boost

Hình 2.4: Bộ biến đổi Buck-Boost

- Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa (van) và ngắt khóa (van) 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

- Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1 + T2

- Ở chế độ dòng điện qua điện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0 Với cách ký hiệu T = T1 + T2 như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là − (T2/T)×Vout

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:

(T1/T)×Vin − (T2/T)×Vout = 0 Như vậy: (T1/T)×Vin = (T2/T)×Vout⇔ D×Vin = (1 − D)×Vout

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

+ Khi D = 0.5, Vin = Vout Với những trường hợp khác, 0 < Vout< Vin khi 0 < D <

0.5, và 0 < Vin< Vout khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở đây chỉ xét về độ lớn, vì chúng ta đã biết

Vin và Vout là ngược dấu) Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp, và đó là

lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi buck-boost

- Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là: cho biết

phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp

ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần

số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện

áp ngõ ra

- Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay

đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:

Dmin = Vout/(Vin,max + Vout), và Dmax = Vout/(Vin,min + Vout)

- Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ bằng 2

lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình

đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là khi D = Dmin Như vậy

đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch và điện cảm L giống như của bộ

biến đổi buck:

(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min

Hình 2.5 : Sơ đồ xung kích,dòng tải và dòng qua cuộn cảm

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

- Nhiệm vụ bộ nghịch lưu điện áp là đóng cắt điện áp DC 100V từ DC_Link thành điện áp xoay chiều 3 pha hình sin có tần số giống với tần số áp lưới và có dòng điện cùng pha với điện áp lưới Khi đó bộ nghịch lưu sẽ phát công suất có ích vào lưới điện 3 pha

Hình 2.6 : Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới

- Phần công suất của bộ nghịch lưu là biến tần 3 pha 2 bậc, đóng cắt theo giải thuật điều chế vectơ không gian, điện áp sau khi đóng cắt chứa nhiều thành phần hài bậc cao được đưa qua bộ lọc L hoặc LC và cuối cùng là đưa vào biến áp cách ly (hoặc không dùng biến áp cách ly) để hòa lưới

- Vectơ không gian:

Cho đại lượng ba pha cân bằng va,vb,vc thỏa mãn:

Va + Vb +Vc =0

Phép biến hình từ đại lượng ba pha va,vb,vc sang vectơ:

̅ ̅ Trong đó:

̅ được gọi là phép biến hình vectơ và đại lượng ⃗ gọi là vectơ không gian của đại lượng ba pha

 Các tính toán trên vectơ không gian cho phép xử lý ít thông tin hơn nhưng vẫn đầy

đủ thông tin cho đại lượng ba pha

 Điều chế vectơ không gian: Là giải thuật điều chế độ rộng xung sin (SVPWM) cho phép tổng hợp ra vectơ không gian quay đều trên hệ tọa độ, qua đó nghịch lưu được điện áp ba pha có biên độ và tần số theo yêu cầu

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

 Bộ điều khiển và giải thuật điều khiển trên matlab

Hình 2.7: Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới

Phần điều khiển bao gồm:

 Bộ PLL: dùng nhận dạng biên độ, tần số và góc pha của điện áp lưới

 Bộ biến đổi abc  dq: dùng biến đổi điện áp 3 pha sang dq frame

 Bộ PI: Khâu PI dùng để điều khiển điện áp Ud và Uq để đạt được góc pha của dòng điện mong muốn (điều khiển góc pha dòng cùng pha với góc pha áp)

 Bộ biến điệu và Inverter: Biến đổi từ dq frame sang vectơ không gian và xuất xung điều khiển bộ công suất

2.3 PLL 3 pha

- PLL là một hệ thống hồi tiếp vòng kín gồm ba khối quan trọng là VCO (Voltage Oriented Control), phát hiện pha (phase detector) và bộ lọc thông thấp (lowpass filter) Trong hệ thống điều khiển PLL, VCO cho phép phát ra tín hiệu bám theo một tín hiệu khác, 2 tín hiệu này có thể lệch nhau trong quá trình hiệu chỉnh nhưng khi kết thúc vòng lặp thì tín hiệu ngõ ra của PLL phải tương đồng với ngõ vào

Ta định nghĩa pha và tần số vào ra khi kết thúc vòng kín như sau:

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL

Ta sẽ phân tích lần lượt 3 khối của một hệ thống điều khiển PLL:

2.3.1 Phase detector

- Khối này có nhiệm vụ so sánh ngõ ra với ngõ vào và phát sinh ra một sai số với hệ

số tỉ lệ nhất định (V/rad)

Giả sử sai số này bao gồm các hài bậc cao như sau:

Tần số cao hơn tần số cơ bản sẽ được lọc ở bộ lọc thông thấp.Sai số sau khi lọc sẽ

tỷ lệ với biến (áp điều khiền-DC) nhằm làm tham chiếu cho bộ VCO

là tần số ngõ tại thời điểm

là hệ số tỷ lệ của bộ VCO (rad/s/V)

- Để có ngõ ra mong muốn, được bộ phase detector hiệu chỉnh (trong tầm điều chỉnh được của VCO) Ta định nghĩa độ lệch pha như sau:

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Hình 2.9: Tín hiệu ngõ ra VCO

 Trong hình trên, ta giả sử 2 ngõ vào của bộ phase detector là 2 sóng vuông Chúng

ta sẽ có mức logic 1 bất cứ khi nào chúng lệch pha Giả sử rằng tần số mong muốn là tương ứng với hình phía trên bên phải, ta sẽ có một áp điều khiển (áp điều khiển này được phát sinh từ bộ phase detector) Khi PLL lặp vòng kín, độ lệch pha trên sẽ bị giảm xuống

 PLL được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, sau đây ta sẽ phân tích bộ PLL trong việc phát hiện pha của lưới điện 3 pha

Hình 2.10: Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

- Bộ biến đổi abc αβ: dùng biến đổi điện áp 3 pha sin, lệch nhau 1200 thành 2 pha trực giao (lệch pha nhau 900) Giải thuật thực hiện trên matlab như sau:

 Điện áp 3 pha có dạng:

a = Usin(θ); b = Usin(θ +120); c = Usin(θ -120)

Hình2.11: Hệ trục tọa độ alpha, beta

- Như ta thấy trong mô hình của hệ thống ba pha hòa lưới, bộ điều khiển sử dụng là

PI Đặc điểm của PI là một bộ lọc thông thấp, chỉ cho đáp ứng tốt với tín hiệu đặt là hàm nấc và hàm dốc Do đó tín hiệu sin không thể đưa vào điều khiển PI, cần 1 bước trung gian là biến đổi Park để từ ba pha sin, biến đổi thành dạng DC đưa vào điều khiển

- Phương pháp biến đổi Park là tạo hệ trục tọa độ quay theo cùng tần số góc với vectơ không gian Do đó hình chiếu thu được trên trục d và q là dạng DC

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

- Biến đổi Park viết trên ngôn ngữ C:

{

- Hệ trục dq là hệ trục quay, quay cùng vận tốc góc với vectơ không gian, do đó hình

chiếu của vectơ không gian lên dq là không đổi (DC) cho phép sử dụng các bộ điều

khiển tuyến tính để điều khiển hệ thống

Hình 2.12: Hệ trục tọa độ dq

 Trong trường hợp góc quay của vectơ không gian θ (góc lượng giác hợp bởi vectơ

không gian và trục α đứng yên trong hệ trục αβ) và góc quay của hệ trục dq (góc hợp

bởi trục d của hệ tọa độ quay và trục α) θ’ là bằng nhau, khi đó vectơ không gian nằm

trên trục d của dq và kết quả là Uq =0 Trong trường hợp θ ≠ θ’ ta có Uq ≠ 0

 Bộ biến đổi dq điện áp chiếu vectơ không gian áp lên trục dq, trục dq có góc quay

là θ (góc quay của vectơ không gian) biến đổi thành Ud, Uq, do đó vectơ không gian

áp và hệ dq có cùng góc quay do đó ta sẽ có :

Ud = U với U là biên độ áp 3 pha

Uq =0

 Bộ biến đổi dq dòng chiếu vectơ không gian dòng điện lên trục dq, nhưng góc

quay là góc quay của điện áp, trong trường hợp dòng và áp không cùng góc quay

(quay cùng vận tốc góc ω nhưng khác góc quay) khi đó ta thu được iq ≠ 0 Và mục tiêu

là điều khiển dòng áp cùng pha hay điều khiển iq = 0

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Hình2.13: Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL

 Mục đích điều khiển: Bộ điều khiển điều khiển sử dụng là các bộ PI, mục đích là:

 Điều khiển dòng nghịch lưu và áp lưới cùng pha, đẩy công suất thực lên lưới trong điều kiện áp lưới thay đổi về biên độ và tần số

 Điều khiển biên độ của dòng, qua đó quyết định công suất hòa lưới Giữ DC link ở mức cố định 600V, bảo đảm chất lượng điện áp đầu ra

 Lựa chọn bộ điều khiển: các bộ điều khiển được sử dụng là PI vì:

 Bộ điều khiển PI triệt tiêu sai số xác lập

 Cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế

 Cho đáp ứng tốt đối với tín hiệu đặt là DC

 Không quan tâm thứ nguyên của tín hiệu vào ra, nên ngõ ra của bộ PI được gán là các giá trị điều khiển tùy ý mà không cần quan tâm đến sai số

 Điều khiển PI dòng điện cùng pha áp lưới: PI dòng điện điều khiển sau cho vectơ không gian của dòng điện cùng pha với vectơ không gian áp lưới hay:

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Trong đó: ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ là vectơ không gian của điện áp nghịch lưu

⃗⃗⃗⃗⃗ là vectơ không gian của điện áp rơi trên cuộn lọc L

⃗⃗⃗⃗⃗ là vectơ không gian của điện áp lưới

 Các vectơ không gian này được phân tích trên hệ trục tọa độ dq và được tổng hợp lại ở bộ tổng phía sau PI Trong đó dòng điện được biến đổi dq Và vì vectơ không gian của dòng điện và vectơ không gian của điện áp trên L lệch pha nhau

900 (vectơ không gian của áp sớm pha hơn vectơ không gian dòng) nên muốn có được VLd, VLq (thành phần trên trục d,q của điện áp trên các cuộn lọc) phải xoay

id, iq đi 90 độ ngược chiều kim đồng hồ, chiếu id, iq lên trục dq và nhân với Lω Nên cuối cùng ta được:

Ud’ = Ud* + Ud + (-iq)*Lω

Uq’ = Uq* + Uq + (id)*Lω

Trong đó các giá trị:

Ud’, Uq’ là giá trị điện áp sau khi được hiệu chỉnh để đưa vào bộ SVPWM là tham chiếu nghịch lưu

Ud*, Uq* là giá trị hiệu chỉnh từ bộ PI

iq*Lω, id*Lω là thành phần VLd, VLq tương ứng của điện áp VL

2.3.3 Bộ nghịch lưu 6 khóa và giải thuật space vector:

2.3.3.1 Bộ nghịch lưu 6 khóa:

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

- Cấu tạo của bộ bao gồm 6 khóa bán dẫn (MOSTFET hoặc IGBT), có chức năng biến đổi điện áp DC ở ngõ vào thành điện áp xoay chiều ba pha ở ngõ ra Các khóa (S1, S2), (S3, S4), (S5, S6) được kích đối nghịch và tạo một khoảng thời gian trễ để tránh ngắn mạch nguồn DC Ba cặp khóa này tạo ra 8 trạng thái đóng ngắt, ứng với mỗi trạng thái, ta tính được điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu

Hình 2.15: Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn

Hình2.16: Bảng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

2.3.3.2 Điều chế vector không gian (space vector)

- Trên thực tế, có rất nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp để tạo ra điện

áp có biên độ và tần số mong muốn Trong đó, phương pháp điều chế vector không gian được xem là phương pháp chính xác và hiện đại nhất

- Mục đích của kỹ thuật điều chế độ rộng xung theo vector không gian (SVPWM) là xấp xỉ vector điện áp đặt sử dụng tám mẫu đóng ngắt của 3 khóa S1, S3, S5 Một phương pháp xấp xỉ đơn giản là lấy trung bình ngõ ra của bộ nghịch lưu trong chu kì nhỏ

- Tám tổ hợp trạng thái đóng ngắt được trình bày ở phần trên là tám vector chuẩn (V0…V7) Trong đó, V0 và V7 là hai vector không vì điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu bằng không Tám vector này chia mặt phẳng thành 6 phần bằng nhau, mỗi phần có độ lớn

là 60o được gọi là một sector

Hình 2.17 : Các vector điện áp chuẩn và các sector

- Tùy vào vị trí của vector điện áp tham khảo nằm trong sector nào, hai vector điện áp chuẩn liền kề sẽ được chọn để thực hiện vector điện áp đó Để chuyển từ vector này sang vector khác chỉ nên thay đổi trạng thái của một khóa, điều này tránh được sự đóng ngắt quá nhiều của các khóa, từ đó giảm được tổn hao do đóng ngắt và đặc biệt là giảm được tổn hao do sóng hài bậc cao được tạo ra trong quá trình đóng ngắt tần số cao Ta có giản

đồ đóng cắt các khóa Trong mỗi sector đều tồn tại trạng thái 0 hoặc 7

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Hình2.18: Giản đồ đóng ngắt của các khóa

- Biên độ của dòng ngõ ra của bộ nghịch lưu được xác định thông qua Idref bằng một

bộ PI sẽ quyết định biên độ DC link ở đầu ra bộ MPPT Bộ PI sẽ lấy sai số là điện áp DC thực (ngõ ra của bộ DC/DC dò MPPT) và điện áp DC đặt (180V), ngõ ra của PI sẽ là giá trị dòng Iref điều khiển 2 bộ PI phía sau nghịch lưu với biên độ dòng ngõ ra chính bằng Iref

- Bằng cách này, bộ Space Vector phía sau cũng đóng vai trò như một tải RL thay đổi được Việc giữ DC link có các ý nghĩa:

 Giữ điện áp DC cho phép nghịch lưu được biên độ điện áp AC cần thiết

 Điều khiển bộ Space Vector đóng vai trò như một tải thay đổi, nhận hết công

suất từ nguồn DC đẩy ra lưới

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI THUẬT MPPT

VÀ MPPT KẾT HỢP FUZZY LOGIC

3.1 Giải thuật MPPT ( maximum power point tracking):

Một trong những vấn đề đáng kể trong các hệ quang điện là sự không phù hợp giữa đặc tính làm việc của tải và của mảng PV

Hình 3.1 : Quan hệ điện áp và dòng của PV

- Như được minh họa trên hình 3.1, khi mảng PV được nối trực tiếp với tải thì điểm làm việc của hệ là giao điểm của đường đặc tính Vôn-ampe của PV với đường đặc tính tải Trong nhiều trường hợp, điểm làm việc này không phải là điểm có công suất lớn nhất

(Maximum Power Point - MPP) của mảng PV Để khắc phục nhược điểm này thì cần phải xây dựng một thuật toán bám điểm có công suất lớn nhất (Maximum Power Point

Tracking - MPPT) Đây là một vấn đề rất quan trọng trong một hệ năng lượng mặt trời vì

nó có thể làm giảm số lượng các mảng PV cần thiết để có được một công suất mong muốn và tối ưu hóa chế độ làm việc của hệ Cần chú ý rằng vị trí của MPP trên đường đặc tính Vôn-ampe của PV là không biết trước Nó phụ thuộc vào mức độ chiếu sáng

(illumination), vào nhiệt độ môi trường và tải Tuy nhiên ta có thể tính được MPP dựa

vào việc mô hình hóa mảng PV và đo độ bức xạ cùng với nhiệt độ của mảng PV

- Trong những thập kỷ qua nhiều phương pháp để tìm ra MPP đã được phát triển và công bố Những kỹ thuật này khác nhau ở nhiều khía cạnh chẳng hạn như các yêu cầu về cảm biến, độ phức tạp, chi phí, phạm vi ảnh hưởng, tốc độ hội tụ, độ chính xác khi chiếu

xạ hoặc nhiệt độ thay đổi, phần cứng cần thiết cho việc thực hiện hoặc tính biến, và những thứ khác Tuy nhiên, ở đây chỉ đề cập đến những giải thuật có thể ứng dụng phù hợp với mô hình phần cứng

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

3.1.1 Giải thuật P&O ( Perturb and Observation ):

- P&0 là một phương pháp phổ biến nhất trong giải thuật MPPT, trong đó có một số thuận lợi như thuật toán đơn giản, áp dụng cho hầu hết cấu hình PV và cung cấp hiệu suất tốt trong trạng thái hoạt động ổn định

- Dựa trên việc tính toán công suất đầu ra của các mảng PV và độ thay đổi công suất bởi cả dòng điện và điện áp mẫu của các PV Việc theo dõi hoạt động theo chu kỳ tăng giảm của điện áp các mảng năng lượng mặt trời

- Trên đường đặc tuyến PV, bên trái MPP, khi V tăng thì P tăng, bên phải MPP, khi

V tăng thì P giảm Phương pháp PO dựa trên việc quan sát công suất đầu ra mà tăng điện

áp cho bộ boost-buck Nếu tăng V mà P tăng thì tiếp tục tăng V, nếu P giảm thì ta giảm V

- Bảng thực hiện P&O :

Positive Positive Positive

Positive Negative Negative

Negative Positive Negative

Negative Negative Positive

Hình 3.2 : Lưu đồ giải thuật P&O ( Perturb and Observation )

- Tuy nhiên, giải thuật P&O có nhược điểm là khi sự thay đổi nhanh khí hậu sẽ dẫn đến sự dao động của điểm MPP, khi dó sự theo dõi sẽ chậm và không còn chính xác

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

3.1.2 Giải thuật tăng tổng dẫn - Incremental Conductance (InCond):

Mà:

Thay vào trên ta có:

{

- Phương pháp IC dựa trên việc so sánh tỉ số độ biến thiên dòng điện và điện áp với tỉ

số dòng điện và điện áp tức thời Khi các giá trị điện áp và dòng điện tiến đến MPP thì giá trị đặt được giữ không đổi

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

Hình 3.4 : Lưu đồ giải thuật InCond (Incremental Conductance)

- Hạn chế của các kỹ thuật này chủ yếu là dễ dàng bị mất theo dõi MPP khi bức xạ thay đổi nhanh chóng Trong trường hợp thay đổi từng bước thì các phương pháp theo dõi MPP rất tốt, vì những thay đổi tức thời và các đường cong không được giữ trong khi

có sự thay đổi