Đề tài thiết kế bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này [1, 2], tuy nhiên các mục tiêu điều khiển chủ yếu tập trung điều khiển dòng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q với các điều kiện ràng b

I Đặt vấn đề :

Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu có nguồn gốc năng lượng hóa thạch luôn gây ô nhiễm môi trường, đang cạn kiệt dần và làm cho trái đất ấm dần lên Việc tìm ra nguồn năng lượng sạch, vô tận luôn là ưu tiên hàng đầu Năng lượng mặt trời, năng lượng gió đã thỏa mãn được những yêu cầu trên, nhưng có công suất không lớn và rất không tập trung Để tận dụng

có hiệu quả, cần phải kết nối các nguồn năng lượng này thông qua hệ thống lưới điện phân phối có sẵn bằng các bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với điện xoay chiều

Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này [1, 2], tuy nhiên các mục tiêu điều khiển chủ yếu tập trung điều khiển dòng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q với các điều kiện ràng buộc như tần số, điện áp lưới không thay đổi hay điện áp DC của bộ nghịch lưu không thay đổi, tuy nhiên, trong thực tế, các giá trị này thay đổi đáng kể

Đề tài này tập trung xây dựng một giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối lưới AC có khả năng tự động ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới với công suất Q luôn ở mức rất thấp (hệ số công suất luôn từ 0.98 đến gần bằng 1) ngay cả khi đảm bảo điện áp, tần

số lưới và điện áp đặt vào bộ nghịch lưu thay đổi

II Nhiệm vụ của đề tài :

Đề tài “Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia” có nội dung chủ yếu:

- Tầm quan trọng của đề tài

- Phân tích sự ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện

- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng

- Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hòa năng lượng mặt trời vào lưới quốc gia

- Kết quả nghiên cứu của đề tài

III Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện

- Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC

- Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện phân phối

- Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện

- Áp dụng kết quả để tính toán thiết kế

IV Phương pháp nghiên cứu :

1 Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

2 Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện Ảnh hưởng của các thông số khi hòa Đề nghị mô hình tính toán cụ thể

3 Xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực tế

4 Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị

5 Đánh giá tổng quát toàn bộ bản đề tài Đề nghị hướng phát triển của đề tài

V Điểm mới của đề tài :

1 Tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia

2 Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính toán bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia

3 Góp phần ổn định lưới điện phân phối

4 Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng

5 Nguồn năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới khi giờ cao điểm

VI Giá trị thực tiễn của đề tài :

Từ yêu cầu cấp thiết từ thực tế, góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng Nguồn năng lượng mặt có thể

dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới khi giờ cao điểm Chính vì lý do trên, đề tài: "Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia" được hình thành

Từ công việc nghiên cứu của đề tài:

1 Nhận được kết quả từ một mô hình thiết kế chính xác bộ chuyển đổi năng lượng

2 Với kết quả nhận được có thể:

¾ Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện

¾ Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai

¾ Sử dụng làm tài liệu giảng dạy

¾ Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia

VII Nội dung đề tài :

Chương 0 : Giới thiệu

Chương 1 : Tổng quan

Chương 2 : Xây dựng sơ đồ bộ nghịch lưu khi kết nối với lưới điện phân phối

Chương 3 : Kết quả mô phỏng và nhận xét

Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển

1.1 Tính cần thiết

Ngày nay với xã hội phát triển đòi hỏi cần nguồn năng lượng điện lớn Vì vậy đòi hỏi phải phát triển nhiều nguồn năng lượng điện khác nhau như: nhiệt điện, thủy điện, năng lượng hạt nhân … nhưng những nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt lại ảnh hưởng đến môi trường cũng như môi trường sinh thái Vì vậy cần nguồn năng lượng đảm bảo được các yếu

tố trên nhưng lại là vô tận Phong điện, năng lượng mặt trời được khai thác triệt để nhưng lại rất tốn kém Với ý tưởng tận dụng những nguồn nhỏ sẵn có của các hộ gia đình công suất nhỏ như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, máy phát Diesel, máy phát biogas sẽ cùng kết nối vào lưới điện nhằm giảm tải cho lưới điện từ các hộ gia đình và tăng nguồn cung cấp cho hệ thống điện

Kết nối các nguồn điện sẵn có từ các hộ gia đình vào hệ thống điện nhằm đảm bảo liên tục cung cấp điện, chí ít cho chính phụ tải hộ gia đình đang dùng cũng như hạn chế việc quá tải trên đường dây Việc kết nối này sẽ tận dụng công suất tối đa của các nguồn năng lượng mà các hộ tiêu thụ có thể phát khi tải hộ gia đình nhỏ mà nguồn năng lượng phát lớn Đây chính

là yếu tố nhằm ổn định hệ thống điện khi bị quá tải

Các nghiên cứu về vấn đề này đã được triển khai và tập trung nhiều về việc điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng Một vấn đề được quan tâm ngoài hai việc điều khiển trên là: khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời thay đổi, điện áp nguồn lưới phân phối thay đổi, tần số nguồn lưới thay đổi nó sẽ ảnh hưởng đến hệ thống như thế nào

Với phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa vào lưới phân phối một pha có công suất nhỏ là việc rất cần thiết khi các thông số nguồn thay đổi vì nó ảnh hưởng rất lớn đến các khóa điện tử của bộ nghịch lưu

Nhiệm vụ của đề tài nhằm ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới là không đổi khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời, điện áp và tần số của nguồn lưới điện phân phối thay đổi, cũng như luôn giữ được Q ở mức thấp nhất nhằm nâng cao hệ số công suất Việc ổn định dòng điện sẽ không làm hư hại các khóa điện tử của bộ nghịch lưu cũng như các thiết

bị có trong hệ thống đồng thời giảm thiểu tối đa công suất phản kháng Q phát vào lưới

1.2 Hòa đồng bộ hai máy phát

1.2.1 Hòa đồng bộ

Ta biết rằng thao tác hoà đồng bộ hai máy phát là chọn điểm đồng bộ để đóng áp to mát của

tổ máy hoà lên lưới là việc song song với tổ máy phát đang làm việc trên lưới Điểm hoà

chính xác là điểm thỏa mãn các điều kiện sau:

- Các tổ máy phát phải có cùng thứ tự pha

Để phân tích các điều kiện ta có thể giả thiết các máy phát đang làm việc khi thực hiện hoà

đồng bộ chính xác phải làm sao để dòng điện cân bằng chạy giữa các máy phát điện có giá

trị nhỏ nhất để máy phát không hỏng, các máy phát hoạt động song song bình thường Nếu

các điều kiện hoà song song được thoả mãn, đặc biệt góc lệch pha giữa các điện áp pha nằm

trong giới hạn cho phép việc hoà song song xẩy ra êm, không có dòng cân bằng lớn

Khi các điều kiện hoà song song giữa các máy phát được thỏa mãn hiệu số hình học điện áp

giữa điện áp pha của máy phát đang hoạt động và máy phát được hoà phải bằng không và

dòng cân bằng vào thời điểm hoà bằng không, cụ thể không có tăng dòng đột biến, không có

hiện tượng giao động điện áp trên thanh cái Nếu các điều kiện hoà đồng bộ chính xác

không được thoả mãn từng phần hay toàn bộ khi hòa máy phát vào mạng sẽ có dòng cân

bằng và giao động điện áp trên thanh cái với những giá trị khác nhau trên lưới được quy về

Tại bất cứ thời điểm nào trước khi hoà ta cũng có

) sin(

t t

U u

e

2 sin(

) 2 cos(

= Δ

=

−Dòng điện cân bằng chạy trong 2 tổ máy phát ở thời điểm hoà được tính theo công thức sau:

h l

cb

X X

u I

+

Δ

kháng của máy phát hoà)

1.2.2 Phân tích các điều kiện hòa

a Điều kiện về điện áp

Về trị số độ lớn của điện áp lưới và Sđđ máy hoà không thoả mãn trong khi đó các Điều kiện kia thoả mãn:

Lúc đó

h l cb

X X

u I

+

Δ

Biểu thị véc tơ chứng minh Điều kiện hoà thứ nhất

không thỏa mãn chứng tổ dòng cân bằng còn tồn tại,

dòng cân bằng này có giá trị từ 0 –Inm

Hình 1.2: sơ đồ biểu thị vecto khi hòa

UcMFh

b Điều kiện tần số không thoả mãn

Trong trường hợp đó các vecto điện áp của máy đang hoạt động và máy được hoà sẽ lệch

phát điện 1 vào mạng sẽ xuất hiện dòng cân bằng, giá trị của nó phụ thuộc hiệu hình học

lớn gây ra va đập cơ học trên trục các máy phát làm hư hỏng nặng

Gía trị biên độ dòng cân bằng vào thời điểm hoà đối với máy phát có cuộn ổn định khi

'' ''

.

2

'' 2

'' 1

''

+ +

=

d c d

d y yp

x x x

E k i

'' 2

'' 1

''

d c d

d y yp

x x x

E k i

+ +

=

Dòng cân bằng tăng đột ngột rất lớn, có thể đạt giá trị bằng từ 10 đến 15 lần dòng định mức tạo ra lực điện động rất lớn trong cuộn dây stator làm hỏng các cuộn dây đó

Hồ song song máy phát khi gĩc lệch pha δ lớn cũng giống như ngắn mạch trên thanh cái trạm phát điện Trong trường hợp đĩmáy phát được hồ khơng thể được kéo vào đồng bộ, các máy phát khác bị ngắt khỏi mạng nhờ thiết bị bảo vệ và rời khỏi đồng bộ

'' 1

''2

d

d y

x

E k

h l cb

X X

u I

+

Δ

Trong kỹ thuật hồ chính xác người ta thường lấy gĩc δcp = 7,5 - 10 độ điện

c Điều kiện về thứ tự pha

Thứ tự pha là điều kiện người vận hành thực tế khơng cần quan tâm đến vì khi lắp đặt hay sửa chữa, các nhà máy phải xác định cho đúng trước khi thử cho làm việc song song Tuy nhiên về bản chất thực sự của thứ tự pha biểu thị chiều quy của véc tơ điện áp trong khơng gian

Theo quy ước nếu thứ tự pha thuận sao điện áp sẽ quay ngược chiều kim đồng hộ, trong trường hợp ngược lại là ngược thứ tự pha (biểu diễn trên hình 1.4)

Để kiểm tra thứ tự pha người ta cĩ các đồng hồ Phazomet, hoặc thử đơn giản bằng một động

cơ điện xuay chiều Thứ tự thuận theo ngược chiều kim đồng hồ là Pha A, Pha B, Pha C

Ecb1Eb1

EhblEcl

Ubl

Uc l

Véc tơ điện áp lưới Thứ tự pha thuận Thứ tự pha ngược

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống ba pha véc tơ quay

d Điều kiện về góc lệch pha

Ở các góc khác δ ≠ 0 thì Icb ≠ 0;

Chú ý : Thông thường thì việc chọn điểm đóng áp tomát của máy phát hoà sẽ được thực hiện khi góc θ < 10 độ điện về phía trước khi góc δ giảm tới "0" (điểm đồng bộ) do sự chậm trễ của quan sát, động tác và hệ truyền động cơ khí, trước khi goc θ giảm tới "0" vì như vậy máy hoà vào sẽ nhận ngay một phần nhỏ tải của máy đang làm việc, trường hợp ngược lại máy hoà sẽ trở thành chế độ công suất ngược làm cho tải của máy đang làm việc trên lưới tăng lên

1.3 Các nghiên cứu khoa học liên quan

Có nhiều các nghiên cứu về việc kết nối nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện đã được công bố đơn cử như: Active and Reactive power controller for single-phase Grid-connected photovoltaic syntems” [1], Digital power factor control and reactive power regulation for grid-connected photovoltaic inverter [2], Application of Z-source converter

in photovoltaic grid-connected transformer-less inverter [4], A software application for energy flow simulation of a grid connected photovoltaic system [5]…… tất cả các nghiên cứu trên đều nhắm đến điều khiển công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q và điều khiển dòng điện bơm vào lưới điện

1.3.1 Điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q khi kết nối nguồn năng lương mặt trời vào lưới điện [1]

Phân tích phương trình khi kết nối

Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu

m m

e E= θ +δ

Vậy với nghiên cứu trên để điều khiển công suất tác dụng P bơm vào lưới thì điều khiển góc

điều khiển được biểu diễn hình 1.5

Hình 1.5: sơ đồ điều khiển của [1]

Kết quả mô phỏng của phương pháp trên được mô tả tại hình 1.6 Kết quả mô phỏng cho thấy các khoảng thời gian giữa [P,Q]: [0%, 0%], [100%, 0%], [50%, 0%], [50%, 100%], [100%, 0%]

cứu này đã đạt được mục tiêu đề ra là điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bơm vào lưới

Hình 1.6: kết quả mô phỏng P, Q, S, I của [1]

1.3.2 Điều chỉnh chỉnh công suất phản kháng và điều khiển hệ số công suất khi kết nối

hệ thống năng lượng mặt trời với lưới điện [2]

Dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu được tính

inv out

V Sin

I Cos

L

δϕ

Giải thuật điều khiển được hiển thị trên hình 1.7

Hình 1.7: giải thuật điều khiển của [2]

Kết quả đạt được của nghiên cứu [2] tại hình 1.8, phân tích kết quả nghiên cứu cho thấy việc điều khiển điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu để đạt hệ số công suất cao khi bơm dòng điện vào lưới Khi dòng điện ở mức trung bình, hệ số công suất đạt khá cao từ 0.9 – 0.98, tuy nhiên, khi dòng điện bơm vào lưới ở mức thấp và cao, hệ số công suất giảm đáng kể

Hình 1.8: kết quả nghiên cứu của [2]

1.4 Nhược điểm của các nghiên cứu liên quan và hướng nghiên cứu của đề tài

1.4.1 Nhược điểm của nghiên cứu [1]

Nghiên cứu [1] đã đạt được mục đích điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản

điện Các thông số này trong thực tế thì luôn biến động Vì vậy việc bơm công suất P và Q

1.4.2 Nhược điểm của nghiên cứu [2]

Nghiên cứu [2] đã đạt được mục đích điều khiển dòng điện bơm vào lưới đạt giá trị cao nhất bằng việc giữ công suất phản kháng Q bơm vào lưới là bé nhất nhằm nâng cao hệ số công

trong thực tế thì thay đổi Vì vậy việc điều khiển bơm dòng điện vào lưới là rất cần thiết nhưng phải chú ý các thông số liên qua luôn thay đổi

1.4.3 Hướng nghiên cứu của đề tài

- Điều khiển dòng điện bơm vào lưới luôn đảm bảo công suất phản kháng Q để luôn

- Điều khiển dòng điện bơm vào lưới luôn đảm bảo công suất phản kháng Q để luôn giữ được hệ số công suất ở mức cao nhất khi U thay đổi

- Điều khiển dòng điện bơm vào lưới là hằng số khi khi U thay đổi

- Điều khiển dòng điện bơm vào lưới là hằng số khi khi f thay đổi

2.1 Phương trình toán học

2.1.1 Sơ đồ kết nối

được thiết kế theo mạch cầu H Điện áp DC qua bộ nghịch lưu biến đổi thành nguồn AC có điện áp thấp Điện áp AC của bộ nghịch lưu được gọi là E Nguồn E được máy biến áp tăng

áp 48V/480V tần số 50hz với hệ số K = 10 Nguồn E được kết nối với lưới điện phân phối qua cuộn dây L Các tải được kết nối sau cuộn dây L nhằm nhận nguồn từ E hoặc U

Hình 2.1: sơ đồ kết nối nguồn năng lượng mặt trời kết nối vào lưới điện phân phối một pha

Từ sơ đồ kết nối hình 2.1 ta có sơ đồ kết nối tương đương như hình 2.2

Hình 2.2: sơ đồ tương đương khi kết nối

Ý nghĩa sơ đồ tương đương hình 2 cho thấy, khi nguồn năng lượng E cung cấp một dòng

toàn cho tải Khi tải giảm ta có IE = IL + IE1 lúc này dòng IE vừa cung cấp cho tải và cung

này toàn bộ dòng điện của năng lượng mặt trời cung cấp hoàn toàn về lưới điện

2.1.2 Công thức tính P và Q khi bơm vào lưới điện

Với sơ đồ tương tương hình 2.2 ta có đồ thị vectơ giữa các thông số khi hòa như sau:

Hình 2.3: giản đồ vectơ của các thông số khi hòa

Từ hình 2.3 ta có công thức tính công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bơm vào lưới điện như sau:

áp U, gócϕ là góc tạo bởi điện áp U và dòng điện I

Công suất tác dụng (P) được biến đổi đưa về lưới điện được tính như sau:

Từ công thức (2.3) và (2.4) ta có: muốn thay đổi công suất tác dụng P và Q khi bơm vào

ϕ

ảnh hưởng đến việc thay đổi công suất P bơm vào lưới thì điều khiển góc lệch δxem như dễ dàng điều khiển

Với việc thay đổi E ta có thể can thiệp điều khiển hệ số máy biến áp, điện áp của năng

nghịch lưu Với các cách điều khiển E để điều khiển P ta có thể can thiệp vào bộ tạo xung kích cho bộ nghịch lưu là khả thi hơn so với các cách còn lại Việc thay đổi và điều khiển hệ

số máy biến áp là việc khó khăn, điều này không khả thi với hệ thống này khi thiết kế ứng

DC bằng phương pháp băm xung điện áp DC

Thay đổi điện áp nguồn lưới U để điều khiển P và Q bơm vào lưới điện bằng cách thông qua một máy biến áp để điều khiển đầu phân áp điều này gây sự phức tạp cho việc điều khiển P cũng như việc thiết kế và thi công sau này

Thay đổi thông số của cuộn dây L xem như càng không khả thi

nghịch lưu

Vì vậy để thay đổi công suất P bơm vào lưới điện việc điều khiển dễ dàng nhất là can thiệp

thể tác động vào hai thông số này tại bộ tạo xung kích cho bộ nghịch lưu, hai thông số điều khiển này đều liên quan đến công thức (2.3) và (2.4) nên việc điều khiển can thiệp là rất khó khăn

Mục đích của đề tài này là điều khiền và luôn giữ dòng điện bơm vào lưới là không đổi khi nguồn năng lượng mặt trời E, điện áp U, tần số f của nguồn lưới thay đổi

2.1.3 Công thức tính dòng điện I bơm vào lưới điện không đổi

góc nhỏ xem như không ảnh hưởng nhiều đến hàm Cos, điều này dẫn đến công suất P sẽ thay đổi rất nhiều so với công suất phản kháng Q, lúc này ta xem như Q không thay đổi Khi thay đổi E nó sẽ tác động cùng lúc đến công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q

Muốn dòng điện bơm vào lưới là không đổi thì ta điều khiển sao cho Q = 0, lúc này công

a Khi điện áp nguồn lưới U thay đổi

Từ công thức (2.5) để giữ I không đổi khi điện áp U nguồn lưới thay đổi Để dòng điện

I = const, khi U tăng k lần, thì tgδ phải giảm đi k lần và ngược lại

b Khi tần số nguồn lưới f thay đổi

Từ công thức (2.5) để giữ I không đổi, khi tần số thay đổi và điện áp không đổi, nếu giữ nguyên góc lệch δ thì I = const

điện áp E cũng sẽ thay đổi theo Vì vậy điện áp đầu cuộn kháng luôn phải duy trình điều kiện Ecosδ = U đảm bảo cho điều kiện Q=0 hay hệ số công suất PF = 1

Vậy tất cả các việc điều khiển trên đều có thể điều khiển bộ tạo xung kích cho bộ nghịch lưu

để luôn đảm bảo khiều khiển dòng điện bơm vào lưới là không đổi khi nguồn năng lượng mặt trời E, điện áp U, tần số f của nguồn lưới thay đổi

2.1.4 Sơ đồ khối kết nối của bộ nghịch lưu vào lưới điện phân phối

Sơ đồ khối được thiết kế kết nối như hình 2.4

Hình 2.4: sơ đồ khối kết nối

a Khối năng lượng mặt trời

cung cấp cho bộ nghịch lưu Nguồn năng lương mặt trời thay đổi theo giờ trong ngày và thời tiết

b Khối nghịch lưu, máy biến áp và bộ kích

Bộ nghịch lưu được thiết các khóa điện tử theo mạch cầu H và dùng linh kiện IGBT Có rất nhiều phương pháp để kích dẫn cho các khóa bán dẫn (IGBT) Một phương pháp đơn giản

là phương pháp điều khiển SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) [3] mà đề tài này dùng làm điều khiển

- Sóng điều chế ur (reference signal) (hoặc sóng điều chế-modulation signal) dạng sin

trường hợp ngược lại công tắc chẵn được kích đóng

bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh do quá trình đóng

điện áp ngõ ra Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp một pha, ta cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha nhau nửa chu kỳ (tức chúng ngược pha nhau) Để đơn giản mạch kích hơn nữa, ta có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để kích đóng, ví dụ: cặp công tắc (S1S4) được kích đóng theo quan hệ giữa sóng điều khiển và sóng mang, còn cặp (S2S3) được kích đóng ngược lại với chúng Lúc đó hình thành trạng thái kích đóng (S1S2) hoặc (S3S4)

reûence

carrier f

f

f

của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt lớn Tương tự, gọi là tỉ số

t

V m V

bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính

Đối với bộ nghịch lưu áp một pha:

E m V = a dc (2.8)

Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha:

2

dc a

V

Giản đồ xung kích bằng phương pháp SPWM theo hình 2.1

Hình 2.5: giản đồ xung kích bộ nghịch lưu một pha bằng phương pháp SPWM

quyết định độ rộng xung cũng như sóng hài điện áp ngõ ra

Theo công thức (2.7) và (2.8) độ lớn của hai sóng mang và sóng điều khiển sẽ phụ thuộc trực tiếp đến điện áp ngõ ra E

dòng điện trên tải giống hình sin

Hình 2.6: giản đồ dòng điện và điện áp ngõ ra nghịch lưu dùng phương pháp SPWM Phương pháp thực hiện của đề tài: để luôn giữ dòng điện bơm về lưới điện không đổi theo công thức (2.5) ta có

Để luôn giữ Ecosδ = U dẫn đến Q = 0 và điện áp E luôn bám sát điện áp U của nguồn lưới

và tần số được phân tích như sau:

được trộn cùng sóng mang có tần số 3000hz và biên độ được bộ vi điều khiển điều khiển Phương trình điện áp E được phân tích như sau:

V m V

đổi theo Theo công thức này luôn giữ được điện kháng Q bơm về lưới là thấp nhất cũng như điện áp E sẽ luôn bám chặt điện áp U

c Bộ vi điều khiển

lưới điện U nhằm điều khiển công suất bơm vào lưới

Phương pháp suy đoán

Tín hiệu hình sin ban đầu với một tần số được phân tích như sau: tạo một hình sin được

một hình sin thứ hai được tạo ra bám theo hình sin chuẩn và trễ hơn một khoảng thời

hình sin sẽ sớm pha hơn sóng sin ban đầu

Phương pháp trễ pha

Phương pháp này tương đối đơn giản Cho một hình sin ban đầu với một tần số nhất định, tạo ra một hình sin có tần số tương tự và cho trễ pha hơn sóng sin ban đầu gần một chu kỳ, lúc này sóng sin tạo ra sẽ sớm pha hơn sóng sin ban đầu

VD: cho một sóng sin với tần số f = 50hz suy ra chu kỳ T = 0.02s tạo ra một sóng sin

có tần số tương tự nhưng trễ pha có t = 0.0197s vậy tức là sóng sin tạo ra sóng ban đầu

1

f± 1

f± 1

f± 1

f± 1

f± 1

H 2.7: sơ đồ quy trình điều khiển của VĐK

Giải thuật điều khiển của vi điều khiển sẽ

xử lý theo quy trình như sau:

Nhận tín hiệu Vsin phân tích biên độ điện

áp nhằm phát hiện sự thay đổi của điện áp lưới U sau tính toán đưa ra một góc lệch 2

δ , tính toán phát hiện bán kỳ dương của sóng Vsin nhằm phát hiện tần số đưa vào sau đó tính toán đưa ra góc δ1, góc lệch 3

δ là góc lệch được điều chỉnh chọn lựa để phát công suất hay dòng điện bơm vào lưới Từ những điều kiện trên tính toán cho

ra một góc lệch chuẩn δ cần điều khiển

Nhận tín hiệu Vdc từ nguồn năng lượng mặt trời từ đó kết hợp với góc lệch δ nhằm tạo

ra xung tam giác có biên độ nhất định nhằm đảm bảo điều khiển E.cosδ = U Với xung tam giác này (Vt) kết hợp với sóng điều khiển Vsin nhằm xích cho các khóa điện tử theo phương pháp SPWM

Độ trễ để chỉnh sớm pha giữa E và U phụ thuộc vào góc δ Sau một góc trễ hơn điện áp U thì điện áp E sẽ sớm pha hơn U một góc δ Sau khi các thông số đã ổn định, vi xử lý sẽ tự động đóng hòa vào lưới hoặc việc đóng hòa này sẽ sử dụng bằng tay

Qua hai phương pháp trên đề tài này dùng phương pháp làm trễ pha dùng làm điều khiển

điều khiển Quy trình điều khiển của vi điều khiển được trình bày tại hình 2.7

2.1.5 Sơ đồ kết nối mô phỏng trên phần mềm Matlad

Phương pháp được kiểm chứng và mô phỏng trên phần mềm Matlad Hình 2.8 trình bày sơ

đồ kết nối mô phỏng trên Matlad

Hình 2.8 : sơ đồ kết nối mô phỏng trên phần mềm Matld Các khối trong Matlad

a Khối năng lượng mặt trời

Nguồn năng lượng mặt trời được xem như tương đương một nguồn một chiều Bộ nguồn này được thiết kế mô phỏng thay đổi được Việc thay đổi bộ nguồn này chính là thay đổi

thông qua bộ control và breaker

b Khối bộ nghịch lưu

Hình 2.11: sơ đồ khối của bộ nghịch lưu Hình 2.12: sơ diễn giải của bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu được thiết kế một pha theo mạch cầu H, phương pháp điều khiển cho bộ

năng lượng mặt trời Từ điện DC qua bộ nghịch lưu sẽ biến đổi thành điện AC tại hai đầu E1+ và E1- Bốn tín hiệu xung kích ln1, ln2, ln3, ln4 được kết nối với bộ tạo xung nhằm để đóng cắt các khóa điện tử IGBT

c Khối tạo xung kích

Chính vì dùng phương pháp này điện áp nghịch lưu luôn bám sát theo điện áp U và tần số f

lưới là hằng số, Q = 0 và hệ số công suất đạt giá trị cao nhất Bộ tạo xung cũng làm nhiệm

bộ delay (tạo bộ delay làm trễ pha trong matlad)

Hình 2.13: bộ tạo xung Hình 2.14: sơ đồ khối của bộ tạo xung

d Khối nguồn lưới

Nguồn lưới được mô phỏng như một nguồn AC, nguồn AC được thiết kế có thể thay đổi được tần số và điện áp Điện áp và tần số lưới của nguồn được điều khiển bằng bộ control

và breaker Bên cạnh đó nguồn lưới được hạ áp với tỉ số K = 10 tín hiệu này được đưa vào

bộ tạo xung làm tín hiệu điều khiển

Khối đo lường

Khối đo lường làm nhiệm vụ đo điện áp nguồn nghịch lưu E, nguồn lưới U, dòng điện I, công suất tác dụng P và phản kháng Q (của E), công suất tác dụng P và phản kháng Q (của U) và công suất tác dụng P và phản kháng Q (của tải)

3.1 kết quả mô phỏng khi I thay đổi cosϕ là hằng số

điện để đạt cosϕ = hằng số Bảng 3.1 cho kết quả tính toán và mô phỏng

Bảng 3.1 kết quả tính toán và mô phỏng khi I được điều khiển bơm vào lưới

3.1.1 Kết quả mô phỏng khi bơm dòng điện I vào lưới với góc lệch δ =30

Từ bảng 3.1 ta có các thông số được nạp để chạy mô phỏng

Hình 3.1 là trường hợp để kiểm chứng tại bảng 3.1 việc điều khiển dòng điện bơm vào lưới

được điều khiển với một góc lệch δ =30được hòa vào lưới điện Dòng điện xuất hiện bơm

về lưới và công suất P và Q sau một khoảng thời gian 0.02s đều đạt giá trị đỉnh Lúc này hệ

số công suất được tính như sau: Cos(arctg(Q/P) = Cos(arctg(-20/650)= 0.999527

3.1.2 Kết quả mô phỏng khi bơm dòng điện I vào lưới với góc lệch δ =150

Từ bảng 3.1 ta có các thông số được nạp để chạy mô phỏng

Hình 3.2 là trường hợp để kiểm chứng tại bảng 3.1 việc điều khiển dòng điện bơm vào lưới

bơm về lưới và công suất P và Q sau một khoảng thời gian 0.02s đều đạt giá trị đỉnh Lúc này hệ số công suất được tính như sau: Cos(arctg(Q/P) = Cos(arctg(-270/1950)= 0.99761213

3.1.3 Kết quả mô phỏng khi bơm dòng điện I vào lưới với góc lệch δ =300

Từ bảng 3.1 ta có các thông số được nạp để chạy mô phỏng

Hình 3.3 là trường hợp để kiểm chứng tại bảng 3.1 việc điều khiển dòng điện bơm vào lưới

bơm về lưới và công suất P và Q sau một khoảng thời gian 0.02s đều đạt giá trị đỉnh Lúc này hệ số công suất được tính như sau: Cos(arctg(Q/P) = Cos(arctg(-750/4200)= 0.984428

3.1.4 Kết quả mô phỏng khi bơm dòng điện I vào lưới với góc lệch δ =450

Từ bảng 3.1 ta có các thông số được nạp để chạy mô phỏng Hình 3.4 là trường hợp để kiểm

số công suất đạt giá trị cao nhất Tại thời điểm 0.03s nguồn E được điều khiển với một góc

sau một khoảng thời gian 0.02s đều đạt giá trị đỉnh Lúc này hệ số công suất được tính như sau: Cos(arctg(Q/P) = Cos(arctg(-1460/7065)= 0.979308

Hình 3.4: giản đồ dòng điện I, công suất P và Q bơm vào lưới với góc δ =450

3.1.5 Kết quả mô phỏng khi bơm dòng điện I vào lưới với góc lệch δ =30khi V dc thay đổi từ 48V xuống 44V

Từ bảng 3.1 ta có các thông số được nạp để chạy mô phỏng Hình 3.5 là trường hợp để kiểm

số công suất đạt giá trị cao nhất Tại thời điểm 0.03s nguồn E được điều khiển với một góc

sau một khoảng thời gian 0.02s đều đạt giá trị đỉnh Lúc này hệ số công suất được tính như sau: Cos(arctg(Q/P) = Cos(arctg(-20/650)= 0.999527 Khoảng thời gian 0.2s điện áp của

bị giao động và nhanh chóng trở lại ổn định, dòng điện bơm ra xem như không thay đổi,

Hình 3.5: giản đồ dòng điện I, công suất P và Q bơm vào lưới với góc δ =30khi Vdc thay đổi

3.1.6 Kết quả mô phỏng khi bơm dòng điện I vào lưới với góc lệch δ =150khi V dc thay đổi từ 48V xuống 44V

Từ bảng 3.1 ta có các thông số được nạp để chạy mô phỏng Hình 3.6 là trường hợp để kiểm

số công suất đạt giá trị cao nhất Tại thời điểm 0.03s nguồn E được điều khiển với một góc

sau một khoảng thời gian 0.02s đều đạt giá trị đỉnh Lúc này hệ số công suất được tính như sau: Cos(arctg(Q/P) = Cos(arctg(-270/1950)= 0.99761213 Khoảng thời gian 0.2s điện áp

suất bị giao động và nhanh chóng trở lại ổn định, dòng điện bơm ra xem như không thay

hưởng nhiều đến hệ số công suất

Hình 3.6: Giản đồ dòng điện I, P và Q bơm vào lưới với góc δ =150khi Vdc thay đổi

3.1.7 Kết quả mô phỏng khi bơm dòng điện I vào lưới với góc lệch δ =300khi V dc thay đổi từ 48V xuống 44V

Từ bảng 3.1 ta có các thông số được nạp để chạy mô phỏng Hình 3.7 là trường hợp để kiểm

số công suất đạt giá trị cao nhất Tại thời điểm 0.03s nguồn E được điều khiển với một góc

sau một khoảng thời gian 0.02s đều đạt giá trị đỉnh Lúc này hệ số công suất được tính như sau: Cos(arctg(Q/P) = Cos(arctg(-750/4200)= 0.984428 Khoảng thời gian 0.2s điện áp của

bị giao động và nhanh chóng trở lại ổn định, dòng điện bơm ra xem như không thay đổi, hệ

đến hệ số công suất

Hình 3.7: giản đồ dòng điện I, công suất P và Q bơm vào lưới với góc δ =300 khi Vdc

thay đổi

3.1.8 Kết quả mô phỏng khi bơm dòng điện I vào lưới với góc lệch δ =450khi V dc thay đổi từ 48V xuống 44V

Từ bảng 3.1 ta có các thông số được nạp để chạy mô phỏng Hình 3.8 là trường hợp để kiểm

số công suất đạt giá trị cao nhất Tại thời điểm 0.03s nguồn E được điều khiển với một góc

sau một khoảng thời gian 0.02s đều đạt giá trị đỉnh Lúc này hệ số công suất được tính như sau: Cos(arctg(Q/P) = Cos(arctg(-1460/7065)= 0.979308 Khoảng thời gian 0.2s điện áp của

bị giao động và nhanh chóng trở lại ổn định, dòng điện bơm ra xem như không thay đổi, hệ

đến hệ số công suất

Hình 3.8: giản đồ dòng điện I, công suất P và Q bơm vào lưới với góc δ =450 khi Vdc

thay đổi

3.2 Kết quả mô phỏng khi V dc thay đổi

3.2.1 Khi không tải

a Xét trường hợp khi V dc thay đổi từ 48V chuẩn giảm đi còn 40V U = 220V, f = 50hz

Giản đồ điện áp nguồn năng lượng mặt trời E, điện áp lưới U và dòng điện bơm về lưới khi

thì nguồn E chưa được hòa cùng nguồn U ta nhận thấy dòng điện bơm về lưới bằng 0 Thời

này dòng điện bơm về lưới điện với một góc lệch giữa U và E Khoảng thời gian 0.2s điện

U và dòng điện bị giao động trong khoảng thời gian 0.02s sau đó ổn định chính bằng dòng

đổi

Hình 3.9: dạng sóng E, U, I khi Vdc thay đổi

Giản đồ biểu thị công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bơm về lưới được hiển thị

mặt trời được hòa cùng lưới điện, nhận thấy công suất tác dụng bơm về lưới chính bằng PE

= -PU (bộ đo dòng điện và công suất của nguồn lưới được lặp đặt theo chiều ngược) và QE gần bằng 0 và QU bơm về bộ nghịch lưu một nguồn kháng cung cấp cho cuộn dây L Lúc này nhận thấy hệ số công suất của bộ nghịch lưu gần bằng 1 tức là PE = SE Khoảng thời

kháng Q bị giao động nhưng nhanh chóng phục hồi trong khoảng thời gian 0.03s sau đó đi vào ổn định Lúc này ta nhận thấy QU = - QE – QL tức là nguồn năng lượng mặt trời sẽ nhận một lượng QE và công suất PE = -PU cũng giảm một lượng lúc này hệ số công suất của nguồn năng lượng E sẽ là Cos(arctan(-QE/PE))= Cos(arctan(-20/380)=0.998 lúc này ta

lưới vẫn không thay đổi QE luôn được giữ gần bằng 0

Hình 3.10: dạng sóng của P và Q khi Vdc thay đổi

b Xét trường hợp khi V dc thay đổi từ 48V chuẩn tăng lên 60V U = 220V, f = 50hz

Giản đồ điện áp nguồn năng lượng mặt trời E, điện áp lưới U và dòng điện bơm về lưới khi

thì nguồn E chưa được hòa cùng nguồn U ta nhận thấy dòng điện bơm về lưới bằng 0 Thời

này dòng điện bơm về lưới điện với một góc lệch giữa U và E Khoảng thời gian 0.2s điện

U và dòng điện bị giao động trong khoảng thời gian 0.02s sau đó ổn định chính bằng dòng

đổi

Hình 3.11: dạng sóng E, U, I khi Vdc thay đổi

Giản đồ biểu thị công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bơm về lưới được hiển thị

trời được hòa cùng lưới điện, nhận thấy công suất tác dụng bơm về lưới chính bằng

PE = -PU (bộ đo dòng điện và công suất của nguồn lưới được lặp đặt theo chiều ngược) và

QE = QU = 0 Lúc này nhận thấy hệ số công suất của bộ nghịch lưu bằng 1 tức là PE = SE

Khoảng thời gian 0.2s là thời gian nguồn Vdc thay đổi lên 60V nhận thấy công suất tác dụng

P và phản kháng Q bị giao động nhưng nhanh chóng phục hồi trong khoảng thời gian 0.03s sau đó đi vào ổn định Lúc này ta nhận thấy QU = QE và công suất PE = -PU hệ số công

về lưới vẫn không thay đổi và QE luôn được giữ bằng 0

c Xét trường hợp khi V dc thay đổi từ 40V tăng lên 60V U = 220V, f = 50hz

Giản đồ điện áp nguồn năng lượng mặt trời E, điện áp lưới U và dòng điện bơm về lưới khi

thì nguồn E chưa được hòa cùng nguồn U ta nhận thấy dòng điện bơm về lưới bằng 0 Thời

này dòng điện bơm về lưới điện với một góc lệch giữa U và E Khoảng thời gian 0.2s điện

dòng điện bị giao động mạnh trong khoảng thời gian 0.02s với dòng điện này có thể phá hủy các khóa điện tử của bộ nghịch lưu trong một khoảng thời gian nhất định, nhưng với sự giao động 0.02s sẽ không gây nguy hiểm và sau đó ổn định chính bằng dòng điện ban đầu bơm