Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điện một chiềuđầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ sốbiến áp.. Các loại bộ biến đổi DC
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC)
1.1.1 Chức năng bộ biến đổi DC-DC
Bộ biến đổi 1 chiều 1 chiều (Boot converter) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường 400V) Đồng thời thông qua bộ Boost converter này để thực hiện điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống.
Các bộ biến đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều.
Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:
Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk
Bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp.
Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC.
1.1.2 Bộ biến đổi DC-DC không cách li a) Mạch Buck
Sơ đồ nguyên lý mạch buck được chỉ ra trên hình 1.1 [1,2] Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor được đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:
Trong đó T on là thời gian khóa K mở, T là chu kỳ làm việc của khóa, f DC tần số đóng cắt.
Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck
Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Diode khép kín mạch Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.
Công thức (1.2) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở t on Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM.
Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất Bộ Buck cũng thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dòng vào không liên tục vì khóa điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt.
Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử.
Bộ Buck có thể làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểm MPP xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp ắc quy dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống thấp Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp. b) Mạch Boost
Sơ đồ nguyên lý mạch Boost như hình 1.2 [1,2]
Hình 1 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng
L Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (t on ) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (t off ) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua Điốt tới tải.
Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra. Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều Khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua Điốt Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được tính theo:
Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh T on trong chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V 1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải V o c) Mạch Buck – Boost
Sơ đồ nguyên lý như hình 1.3 [1,2]
Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost
Từ công thức (1.4): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể giảm điện áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào.
Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian.
Công thức (1.5) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D:
Sơ đồ nguyên lý như hình 1.4
Hình 1 4: Sơ đồ biến đổi Cuk
BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU SANG XOAY CHIỀU DC-AC (Inverter)
1.2.1 Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều một pha
Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tuỳ ý.
Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hoà bậc cao Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp Ngày nay công suất các van động lực như: IGBT, GTO càng trở lên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp Do đó sơ đồ nghịch lưu áp được trình bày sau đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn.
Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khoá điện tử lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không, nên điện trở nguồn bằng không.
Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hỉnh 1.10 a Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là: T 1 , T 2 , T 3 , T 4 và các điôt D 1 , D 2 , D 3 , D 4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn.
Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho đầu vào là nguồn hai chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều) Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồn càng nhỏ, điện áp đầu vào được san phẳng).
Hình 1 10: Nghịch lưu áp cầu một pha và đồ thị
1.2.1.2 Nguyên lý làm việc Ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 2 ), cặp van T 1 , T 2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào nguồn Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải U t = E (hướng dòng điện là đường nét đậm) Tại thời điểm = 2 , T 1 và T 2 bị khoá, đồng thời T 3 và T 4 mở ra Tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp ra trên tải sẽ đảo chiều và U t = -E tại thời điểm 2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên theo hướng cũ, T 1 , T 2 đã bị khoá, nên dòng phải khép mạch qua D 3 , D 4 Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D 3 , D 4 về tụ C (đường nét đứt).
Tương tự như vậy khi khoá cặp T 3 , T 4 dòng tải khép mạch qua D 1 và D 2 Đồ thị điện áp trên tải U t , dòng tải i t , dòng qua điôt i D và dòng qua các T được biểu diễn trên hình 1.10b. Để tính chọn van cần tìm biểu thức dòng điện tải i t , sử dụng phương pháp sóng điều hoà cơ bản:
Phân tích dạng điện áp trên tải U t ra chuỗi, ta có:
Nếu chỉ lấy sóng điều hoà cơ bản thì:
Dòng trung bình qua van động lực là:
Dòng trung bình qua điôt là:
Trong thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để giảm bớt kích thước của bộ lọc.
Sử dụng phương pháp sóng điều hoà cơ bản sẽ cho sai số khoảng 15% Tuy nhiên khi chọn van thường người ta chọn hệ số dự trữ, nên kết quả tính toán là hợp lý và gọn nhẹ.
Giá trị của tụ C được tính như sau:
U C làbiến thiên điện áp nguồn một chiều được tính theo đơn vị % :
1.2.2 Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều ba pha [4,5,6] Để có điện áp 3 pha ta cần dùng cầu nghịch lưu 3 pha 6 bộ đóng ngắt và 6 diode thu hồi năng lượng như hình 1.11:
Hình 1 11: Sơ đồ mạch nghịch lưu 3 pha
Mỗi bán kỳ có số xung là 5, các xung đối xứng với đường thẳng T/4, 3T/4. Khi điều chỉnh tần số điện áp ra, tần số xung cũng thay đổi theo nhưng phải tuân theo quy luật: số xung lẻ và đối xứng qua trục các điểm giữa bán kỳ.
Hình 1 12: Sơ đồ dẫn của các transistor và điện áp ra trên các pha
Nếu dùng sơ đồ cầu điều chỉnh chế độ rộng xung thì hình 1.12 cho thấy quan hệ giữa điện áp ra với chế độ làm việc của các transistor ngắt dẫn trong sơ đồ cầu.
Dòng I B1 và I B2 kéo T1 và T2 làm việc điều chỉnh biên độ rộng xung Khi T 1 dẫn thì T 2 ngắt và ngược lại.
Các phép chuyển đổi
1.3.1 Các hệ trục tọa độ a Hệ trục tọa độ tự nhiên
Hệ trục tọa độ tự nhiên: Gồm 3 trục a, b, c đặt lệch nhau 120 0 Véc tơ V trong hệ trục tọa độ này có thể chia thành 3 véc tơ va, vb, vc chúng là các đại lượng biến thiên theo thời gian.
Phương trình cân bằng điện áp pha dưới dạng tức thời:
(1.20) Một hệ thống 3 pha đối xứng trong hệ toa độ tự nhiên có thể biểu diễn bởi một véc tơ như sau:
(1.21) k A (t), k B (t), k C (t) là các đại lượng pha trong hệ tọa độ tự nhiên (có thể là dòng, áp, từ thông) thỏa mãn điều kiện: k A (t) + k B (t) + k C (t) = 0 a = 1e +j120 toán tử quay
Sử dụng phương pháp véc tơ không gian, phương trình cân bằng điện áp và cân bằng từ thông được viết
(1.22) Biến đổi các phương trình điện áp, từ thông sang hệ tọa độ quay, chuyển các thông số phía rotor sang stator Các hệ pt viết trong hệ qui chiếu K quay với tốc độ góc Ω K là:
( 1.23) Phương trình cân bằng moomen:
18 b Hệ trục tọa độ cố định αβ
Hệ trục tọa độ cố định αβ: có trục α trùng với trục a của hệ tọa độ cố định, trục β trực giao với trục α Véc tơ V trong hệ trục tọa độ này sẽ được phân tích thành 2 thành phần trực giao v α và v β
Như vậy véc tơ V từ hệ trục abc chuyển sang hệ trục αβ sẽ giảm từ 3 thành phần xuống còn 2 thành phần. c Hệ trục tọa độ quay dq
Hệ trục tọa độ quay dq: gồm 2 trục d,q trực giao và quay với tốc độ ω (bằng với tốc độ quay của véc tơ V) Do vậy các thành phần V d , V q là những đại lượng không đổi, nói cách khác đối với hệ tọa độ dq, véc tơ V không chuyển động
1.3.2.1 Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha Để tránh điều khiển ba dòng điện/ điện áp một cách riêng biệt, người ta biến đổi hệ thống ba pha Điều này dựa trên thực tế là trong một hệ thống 3 pha đối xứng chỉ có 2 thành phần dòng điện/ điện áp độc lập, thành phần thứ 3 được rút ra từ 2 thành phần kia Các hệ thống này thường được gọi là khung tham chiếu (hay hệ qui chiếu) Trong kỹ thuật đang sử dụng 2 loại khung tham chiếu là khung tham chiếu cố định và khung tham chiếu đồng bộ (quay)
- Hệ qui chiếu cố định (chuyển đổi Clarke)
Hệ thống 3 pha được chuyển sang hệ thống 2 pha, thường được gọi là chuyển từ hệ trục abc sang hệ trục αβ (hoặc αβ0 khi sử dụng véc tơ zero) Cả hai hệ thống 3 pha và 2 pha đều được coi là cố định bởi lẽ các trục bị khóa tại một vị trí, song trong chừng mực nào đó, khái niệm hệ qui chiếu cố định thường dùng để chỉ hệ qui chiếu 2 pha cố định.
Việc chuyển đổi được thực hiện bằng cách áp dụng công thức chuyển đổi Clarke, trong đó lượng 3 pha phải là giá trị pha, không phải là giá trị dây Bằng cách đảo ngược ma trận hệ số lượng 3 pha có thể xem có chức năng như hệ 2 pha.
(1.25) Việc chuyển đổi được coi như sự thay đổi hệ trục tọa độ, từ hệ thống 3 trục (3 pha) sang hệ thống 2 trục (2 pha) như hình 1.13 Ta thấy rằng trong hệ qui chiếu abc chỉ cần 2 pha là có thể xác định được véc tơ X abc và do đó nó được biểu diễn trên hệ qui chiếu 2 pha αβ giống như véc tơ Xab mà không bị mất thông tin Trong hình vẽ ω là tốc độ góc của véc tơ θ còn là góc tức thời (góc pha đầu) của véc tơ.
Nếu X là điện áp lưới thì ω đại diện cho tần số lưới còn θ là góc pha tức thời.
Hình 1 13: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ
Thông thường hệ thống 3 pha được giả định là đối xứng, nên bỏ qua thành phần thứ tự không Khi đó giá trị tức thời của công suất tác dụng và công suất phản kháng của 3 pha được xác định bởi (1.21) và (1.22)
- Hệ qui chiếu đồng bộ (Chuyển đổi Park)
Trong hệ qui chiếu này, hệ trục tọa độ không bị khóa cố định mà quay theo một véc tơ tùy ý Vì vậy hệ qui chiếu đồng bộ còn được gọi là hệ qui chiếu quay dq (hay dq0) Chuyển đổi này được sử dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện, ở đó hệ trục quay theo vị trí roto hoặc từ thông roto Trong hệ biến tần nối lưới nó thường được dùng để khóa các trục với điện áp hoặc dòng điện (thường là điện áp lưới) Trong hình 1.14, trục d được khóa với véc tơ X ab , do đó X d = X ab và X q = 0 Hệ trục sẽ quay với tốc độ góc ω và có góc tức thời bằng θ (gọi tắt là hệ tham chiếu cố định)
Hình 1 14: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq Việc chuyển đổi được thực hiện bởi hàm chuyển đổi Park (1.23)
(1.28)Nếu hệ trục dq được khóa với điện áp lưới, các trục sẽ quay với tần số góc2®fg và các giá trị dq sẽ trở thành giá trị một chiều cố định Nếu vẫn coi hệ thống 3 pha là đối xứng, không có thành phần thứ tự không thì công suất tác dụng và công suất phản kháng được tính theo các công thức (1.24) và (1.25).
Trong các phương trình trên cả điện áp và dòng điện đều được chuyển đổi sang hệ trục dq bằng cách sử dụng cùng một hệ qui chiếu Khi khung tham chiếu định hướng vào véc tơ điện áp thì thành phần dòng điện trên trục d sẽ đại diện cho dòng điện trong pha với điện áp và do đó nó đại diện cho công suất tác dụng trong mạch Thành phần dòng điện trên trục q đại diện cho công suất phản kháng trong mạch.
1.3.2.2 Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha [7]
Tương tự như hệ thống 3 pha, ta mong muốn biểu diễn hệ thống một pha trong hệ qui chiếu cố định αβ và hệ qui chiếu đồng bộ dq để tiện phân tích và thiết kế các bộ điều khiển, muốn vậy trạng thái của hệ thống cần phải có 2 thành phần trực giao nhau. Đối với hệ thống một pha, do điện áp cũng như dòng điện chỉ có một thành phần duy nhất, vì vậy để áp dụng điều khiển trong hệ qui chiếu đồng bộ ta cần tạo ra một thành phần ảo vuông pha với trạng thái điện áp hoặc dòng điện của hệ thống Có thể sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau như dịch góc pha 90 0 , phép biến đổi Hilbert, sử dụng bộ lọc All-pass và sử dụng bộ tích phân bậc hai tổng quát (SOGI)
+ Khâu tích phân bậc hai tổng quát
Khâu tích phân bậc hai tổng quát (Second-order generalised integrator -SOGI) là một kỹ thuật tạo ra tín hiệu trực giao tiên tiến và phổ biến, cấu trúc cơ bản của SOGI được minh họa trong hình 2.35, trong đó k là hệ số giảm xóc, là tần số góc cơ bản Một tính năng nổi bật của SOGI là tùy thuộc vào hệ số giảm xóc mà cho ta một vài loại lọc và có thể nâng cao hiệu quả méo dưới điện áp lưới.
Hình 1 15: Cấu trúc của SOGI
Từ hình 1.15, ta thu được đặc tính hàm số truyền của SOGI như sau:
(1.31) Áp dụng (1.26) cho điện áp lưới (u) cũng như dòng điện (i) mà không kể đến thành phần điện sóng hài, ta xây dựng được hệ thống hai pha trực giao như sau: =
Trong biểu thức (1.28): i αn , i βn là thành phần sóng hài bậc n của dòng điện.
Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation)
PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia vào điều chế các mạch nguồn như: boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha
PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện- điện tử.
Các bộ điều chế độ rộng xung là bộ điều khiển điện áp vòng hở, các phương pháp phổ biến nhất để điều chế độ rộng xung là: Điều chế độ rộng xung dựa trên song mang (CB-PWM- Carrier Based Pulse Width); Điều chế véc tơ không gian (SVM - Space Vecto Modulation) và điều chế độ rộng xung ngẫu nhiên.
1.4.1 Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) Đây là cách phổ biến nhất để điều chế tín hiệu chuyển mạch Phương pháp này có thể chia thành phương pháp điều chế độ rộng xung hình sin và phương pháp điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang với chuỗi tín hiệu zero (ZSS - Zero Sequence Signal) Đối với điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM), tín hiệu tham chiếu hình sin được so sánh với sóng mang tam giác có tần số cao để tạo ra tín hiệu logic điều khiển các chuyển mạch Trong khi đó phương pháp ZSS được dựa trên SPWM với việc bổ sung tín hiệu thứ tự zero của sóng hài tần số bậc 3 Việc đưa thêm sóng hài bậc 3 không làm biến dạng điện áp pha hoặc giá trị trung bình của dòng điện tải Tuy nhiên nó mở rộng vùng hoạt động tuyến tính, làm giảm tần số chuyển mạch trung bình và làm giảm song hài dòng điện Phương pháp ZSS có thể chia thành điều chế liên tục và điều chế gián đoạn, tiêu biểu của phương pháp điều chế liên tục là phương pháp ZSS hình sin, đôi khi sử dụng ZSS tam giác.
Nguyên tắc tạo ra tín hiệu chuyển mạch được chỉ ra trên hình 1.12, trong đó tín hiệu mang tam giác được so sánh với điện áp tham chiếu hình sin đại điện cho điện áp pha Nếu tín hiệu sin lớn hơn sóng mang chuyển mạch sẽ mở và nếu tín hiệu hình sin nhỏ hơn chuyển mạch sẽ đóng.
Hình 1 16: Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang hình sin
1.4.2 Điều chế véc tơ không gian (SVM) [8]
SVM là phương pháp dựa trên biểu diễn véc tơ không gian của chuyển đổi bên điện áp xoay chiều AC, trong chỉ ra sự khác biệt giữa SVM và CB-PWM ở việc xử lý các lượng 3 pha CB-PWM hoạt động trong các điều kiện của các thành phần
3 pha tự nhiên, trong khi đó SVM sử dụng véc tơ chuyển đổi nhân tạo Với biến tần
3 pha 2 mức có 8 trạng thái chuyển mạch, gồm 6 trạng thái chuyển mạch hoạt động và 2 trrạng thái chuyển mạch bằng không Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra mẫu chuyển mạch, sự khác biệt duy nhất giữa chúng là vị trí véc tơ zero Các trạng thái chuyển mạch khác nhau được biểu diễn trên hình 1.17
Hình 1 17: Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra
Phương pháp phổ biến nhất là SVM 3 pha với sự phân bổ đối xứng của các véc tơ zero Phương pháp này tương đương với phương pháp CB-PWM với ZSS tam giỏc gồm ẳ biờn độ và cú hàm lượng súng hài gần như bằng với CB-PWM với ZSS hình sin Nó rất dễ dàng thực hiện trong bộ vi xử lý và đó là sự lựa chọn tự nhiên của SVM.
Hai kỹ thuật khác của SVN là điều chế véc tơ với V N0 = 0 (điện áp giữa trung tính chuyển đổi và trung tính lưới bằng không, tương đương với sine PWM) và điều chế véc tơ với điều hòa bậc 3 (tương đương với CB-PWM với ZCC hình sin) nhưng dễ thực hiện hơn so với CB-PWM Điều chế véc tơ không gian 2 pha là một phương pháp khác, nó tương đương với CB-PWM không liên tục với ZSS (DPWM) Phương pháp này sẽ chỉ có 1 trạng thái zero trong thời gian lấy mẫu và do đó tốt nhất là sử dụng ở các tỉ lệ điều chế cao Điện áp dây cực đại đối với SVPWM và cũng vậy đối với PWM 2 pha là:
Ngoài ra còn một số biến thể của SVM gọi là SVM thích nghi (ASVM), nó kết hợp các SVM khác nhau thành một giải pháp chung Phương pháp này cho phạm vi điều khiển đầy đủ bao gồm quá điều chế và sáu bước hoạt động (hoạt động sóng vuông), hiệu quả của biến tần cao hơn, song biến tần sẽ chủ yếu hoạt động ở vùng tuyến tính trên của điều chế, vì vậy phương pháp này không được quan tâm Việc tạo ra tín hiệu chuyển mạch đối với SVM dựa trên cơ sở toán học, nó thực hiện dễ dàng trong vi xử lý.
Điều khiển bộ chuyển đổi DC-AC
Có 2 chiến lược điều khiển chính để điều khiển chuyển đổi DC-AC là điều khiển dòng điện (CC - Current Control), điều khiển điện áp (VC - Voltage - Control) Điều khiển dòng điện là chiến lược chung nhất để điều khiển kết nối lưới biến tần nguồn áp( VSI - Voltage Source Inverter) Điều khiển dòng điện có lợi thế là ít nhạy cảm với sự dịch pha điện áp và sự méo điện áp lưới, do đó nó làm giảm sóng hài dòng điện đến mức tối thiểu Trong khi đó điều khiển điện áp có thể dẫn đến quá tải biến tần do góc pha có sai số nhỏ và có thể xuất hiện sóng hài dòng điện lớn nếu điện áp lưới bị méo Khi hệ thống biến tần làm việc độc lập thì điều khiển điện áp sẽ là sự lựa chọn tự nhiên nhưng khi chúng hoạt động ở chế độ kết nối lưới điều khiển dòng điện là giải pháp điều khiển bền vững nhất Trong phần này chỉ đề cập đến điều khiển dòng điện biến tần nguồn áp (CC-VSI) Các sơ đồ điều khiển trình bày trong phần này liên quan đến việc biến đổi hệ thống 3 pha sang các hệ thống 2 pha như đã trình bày trong mục 1.5.1 Điểm chung cho tất cả các chiến lược điều khiển được mô tả trong phần này là tách biệt rõ việc bù sai số dòng điện với phần điều chế điện áp (điều chế PWM) Ý tưởng này cho phép khai thác lợi thế của các bộ điều biến vòng hở tách ra từ vòng lặp bù sai số dòng điện (sẽ được mô tả trong phần sau)
26 Để điều khiển bộ nghịch lưu DC-AC ta có thể sử dụng các qui luật điều khiển khác nhau Ba bộ điều khiển đang được dùng phổ biến hiện nay, đó là điều khiển tỉ lệ tích phân (PI), điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR) và điều khiển phản hồi trạng thái.
Bộ điều khiển PI được áp dụng cho cả hệ qui chiếu tĩnh (αβ) và hệ qui chiếu đồng bộ (dq), nhưng áp dụng cho hệ qui chiếu dq sẽ có dòng điện một chiều cố định, bù PI cho phép làm giảm sai lệch tĩnh của thành phần cơ bản về không Điều này không đúng cho trường hợp bộ điều khiển PI làm việc trong hệ trục αβ, ở đó có sai số theo dõi vốn có của biên độ và pha Vì vậy điều khiển dòng điện trong hệ qui chiếu đồng bộ (hệ qui chiếu quay) sử dụng PI là giải pháp điển hình trong nghịch lưu nối lưới.
Lợi thế của điều khiển dòng điện trong hệ trục dq là điều khiển riêng rẽ công suất tác dụng và công suất phản kháng bằng cách gắn khung tham chiếu dq lên đện áp lưới Khi đó công suất tác dụng được điều khiển bằng dòng điện trục d còn công suất phản kháng được điều khiển bằng dòng điện trục q Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là cần nhiều phép biến đổi, phép tách trong chuyển đổi 3 pha và hạn chế trong việc bù các hài thấp để phù hợp với tiêu chuẩn chất lượng điện năng.
Về hình thức bộ điều khiển PI được định nghĩa:
(1.35) Khi cần bù sóng hài ta có thể thêm bộ bù sóng hài với phương pháp tương tự như mô tả ở trên nhưng sử dụng hệ qui chiếu quay với tần số của sóng hài mong muốn.
1.5.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant)
Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ là một kiểu điều khiển mới Trong phương pháp này PI bù một chiều được chuyển đổi thành bù xoay chiều tương đương, do đó đem lại đặc điểm của đáp ứng tần số trong băng thông quan tâm Sử dụng phương pháp này sẽ giảm độ phức tạp của tính toán và loại bỏ sự ghép nối chéo PR được định nghĩa:
(1.36) Kết hợp với bộ điều khiển PR người ta thường thêm vào bộ bù điều hòa (HC
- Harmonic Compensator) Các bù điều hòa bao gồm tổng các bộ tích phân tổng quát (GI - Generalized Integrator) được điều chỉnh để có độ khuếch đại ở các tần số khác nhau gọi là tần số cộng hưởng Bên ngoài tần số này các GI hầu như không có sự suy giảm Đây là một tính năng thú vị của GI bởi lẽ nó không ảnh hưởng đến đặc tính động của bộ điều khiển PR bên ngoài tần số điều chỉnh Như vậy khi cần thiết có thể thêm nhiều GI mà không ảnh hưởng đến động lực của toàn hệ thống Các bù sóng hài được định nghĩa:
(1.37) Sự kết hợp bộ điều khiển PR với bù sóng hài có thể điều chỉnh để phản ứng với các tần số cơ bản cho kết quả điều chỉnh tốt và điều chỉnh tần số sóng hài để bù cho chúng
1.5.3.Bộ điều khiển phản hồi trạng thái
Trong các phương pháp điều khiển mô tả ở trên, quá trình điều khiển được mô tả dưới dạng hàm số truyền, nó không thể quan sát và điều khiển các hiện tượng nội bộ lên quan trong quá trình điều khiển Vì vậy phương pháp không gian trạng thái ngày càng được chú ý nhiều hơn, bởi vì phương pháp này cung cấp sự miêu tả đầy đủ và mạnh mẽ trong miền thời gian hệ tuyến tính đa biến bậc tùy ý, hệ phi tuyến hoặc hệ có thông số biến đổi theo thời gian Có nhiều cách viết hệ phương trình trạng thái, thông thường được viết dưới dạng (1.30)
(1.38) Trong đó: X(t) là véc tơ trạng thái; U(t) là véc tơ vào; Y(t) là véc tơ ra; A là ma trận kết nối trạng thái; B là ma trận kết nối vào; C là ma trận kết nối ra; D là ma trận kết nối vào/ra.
Với cách mô tả này cùng với các điều kiện đầu rất dễ thực hiện, bộ điều khiển phản hồi trạng thái có thể làm việc trong cả hệ qui chiếu tĩnh và hệ qui chiếu đồng
28 bộ.Khi sử dụng phương pháp này các điểm cực của hệ thống vòng kín có thể đặt ở những vị trí định trước trong mặt phẳng s (hoặc mặt phẳng z đối với hệ rời rạc) và do đó có thể điều khiển được các đặc tính của đáp ứng của hệ thống Ngoài ra, với phương pháp này việc bù sóng hài có thể đạt được bằng cách đưa thêm mô hình của hệ thống tại tần số sóng hài mong muốn.
Vấn đề hòa nguồn điện với lưới
Hòa đồng bộ là một trong các điều kiện để nguồn điện (từ máy phát, pin mặt trời…) có thể hoạt động ở chế độ làm việc song song hoặc cùng nối chung vào một mạng lưới điện.
Các nguồn điện khi không hoạt động ở chế độ làm việc song song với một nguồn khác, hoặc nhiều nguồn cùng nối chung vào một mạng lưới điện luôn đòi hỏi một số điều kiện Một trong các điều kiện đó là các nguồn điện phải hoạt động đồng bộ với nhau.
1.6.1 Các điều kiện hòa đồng bộ Điều kiện về tần số: Hai nguồn phải cùng tần số với nhau, hoặc tần số nguồn điện phải bằng tần số lưới. Điều kiện về điện áp: Hai nguồn phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp nguồn phải bằng điện áp lưới. Điều kiện về pha: Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nếu số pha lơn hơn 1và góc pha phải trùng nhau.
Ta thấy điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ như mâu thuẫn với nhau vì nếu muốn cho góc pha của hai phía trùng nhau thì phải điều chỉnh tần số, mà đã điều chỉnh tần số thì tần số không thể bằng nhau Còn nếu muốn giữ nguyên cho hai tần số bằng nhau thì khó có thể điều chỉnh được góc pha Do đó, điều kiện thực tế là: a Điều kiện về tần số
Tần số của hai nguồn xấp xỉ bằng nhau Sai lệch nằm trong khoảng f cho phép Gía trị f này là bao nhiêu tùy thuộc vào việc chỉnh định bộ điều tốc và rơ le hòa điện tự động hoặc rơ le chống hòa sai.
Thông thường, người ta điều chỉnh sao cho f có trị số lớn hơn 0 một chút, nghĩa là tần số nguồn điện cao hơn tần số lưới một chút Như vậy, khi hòa vào lưới nguồn điện sẽ bị tần số lưới giữ lại, nghĩa là nguồn điện sẽ phát một công suất nhỏ ra lưới ngay thời điểm đóng máy cắt. b Điều kiện về điện áp Đối với điện áp thì có thể điều chỉnh cho điện áp nguồn điện bằng điện áp lưới chính xác mà không có vấn đề gì Người ta cũng cho phép điện áp có sai lệch chút ít so với điện áp lưới và người ta cũng chỉnh định sao cho điện áp nguồn điện bằng hoặc hơn điện áp lưới một chút để khi đóng điện thì công suất và công của nguồn điện lớn hơn 0 một chút. c Điều kiện về pha Đây là điều kiện bắt buộc và phải tuyệt đối chính xác Thứ tự pha thường chỉ kiểm tra khi lắp đặt máy hoặc sau khi có thao tác sửa chữa, bảo trì mà phải tháo rời các điểm nối Vì phải điều chỉnh tần số nên hai tần số không bằng nhau Do đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục theo tần số phách bằng hiệu của hai tần số Các rơ le phải dự đoán chính xác các thời điểm góc pha bằng không, biết trước thời gian đóng của máy cắt và phải cho ra tín hiệu đóng máy cắt trước thời điểm đồng bộ bằng đúng thời gian đó Thường khoảng dưới 100ms đến vài trăm ms.
Các điều kiện về điện áp và điều kiện về tần số có thể kiểm tra bằng các dụng cụ đo trực tiếp như vôn kế, tần số kế nhưng các điều kiện về pha như: thứ tự pha và đồng vị góc pha( góc lệch pha) cần phải kiểm tra nghiêm ngặt hơn.
1.6.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới Đối với hệ thống phân đoạn, hệ thống lưới mạch vòng, thì đồng vị pha đã được xác định ngay khi thiết kế Tuy nhiên, do những sai lệch về điện áp giáng trên đường dây, trên tổng trở ngắn mạch của máy biến áp, do phối hợp tổng trở các máy biến áp trong mạch vòng không tốt và do sự phân bố tải trước khi đóng nên góc pha giữa hai đầu máy cắt có thể khác không Nhưng thường là ít thay đổi trong thời gian ngắn.Trong trường hợp này, đóng máy cắt sẽ không gây ra ảnh hưởng lớn, ngoại trừ một vài điểm nào đó có khả năng quá tải Đối với một số vùng liên kết với hệ thống lưới
30 bằng một đường duy nhất hoặc nhiều đường nhưng do sự cố đã rã toàn bộ, thì khi đóng lại góc pha sẽ không còn bằng không nữa Khi đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục, vì hai tần số lúc ấy không còn bằng nhau Đóng máy cắt lúc đó phải đầy đủ các điều kiện về tần số như hòa đồng bộ máy phát điện, và thường rất khó, khó hơn hòa đồng bộ máy phát Vì muốn thay đổi tần số của một trong hai hệ thì không thể tác động tại chỗ được mà phải liên hệ từ xa Để đảm bảo đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt ấy phải có lắp đặt rơ le hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai Đối với trường hợp thứ nhất, rơ le có thể chỉnh định với khoảng cho phép khá rộng: góc pha có thể sai từ 5 đến 10%, điện áp cho phép sai từ 5 đến 10%. Để hòa nguồn điện từ pin mặt trời vào lưới cũng không đơn giản do điện áp và tần số khó thỏa mãn điều kiện hòa Do vậy, ta không nên hòa trực tiếp mà hòa điện thong qua bộ nghịch lưu Các bộ nghịch lưu ngày nay có thể biến điện áp một chiều từ ắc quy thành nguồn có tần số và điện áp bất kì.
Kết luận chương 1
Trong chương 1 tác giả đã giải quyết một số vấn đề xoay quanh hệ thống điện năng lượng mặt trời:
Lý thuyết về bộ biến đổi một chiều- một chiều DC-DC, biến đổi một chiều sang xoay chiều DC-AC, chuyển đổi giữa các hệ qui chiếu;
Vài nét lý thuyết về hòa đồng bộ của hệ thống điện NLMT với lưới.
HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIÓ VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI
Năng lượng gió và năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên, để hai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
2.1.1.1 Cấu trúc của mặt trời
Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.108km Từ trái đất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31'59 Từ đó có thể tính được đường kính của mặt trời là R = 1,4.10 6 km, tức là bằng 10 9 lần đường kính quả đất và do đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.10 4 lần Từ định luật hấp dẫn người ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là 1,989.10 27 tấn, lớn hơn khối lượng quả đất 33.10 4 lần Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm 3 , lớn hơn khối lượng riêng của nước
(1g/cm 3 ) khoảng 50% Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất khác nhau Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160 g/cm 3 , nhưng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh.
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía rong và phần khí quyển bên ngoài (hình 2.1) Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện Còn phần bên trong của nó cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời Một số thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 2.1.
Hình 2 1: Cấu trúc mặt trời
Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định Thực ra bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng Sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng mặt trời Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xung sáng, luôn luôn thay đổi và rất dữ dội.
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây nó phát ra 3,865.10 26 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10 16 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.10 16 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.10 6 tấn than đá.
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng hạt nhân Theo thuyết tương đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng
6000 0 K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đô Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.10 8 MPa Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Người ta đã xác định được nguồn năng lượng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân Proton.Proton.
Khối lượng của mặt trời xấp xỉ 2.10 27 tấn Như vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.10 13 năm.
Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và vô tận.
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió. Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại.
2.1.2.1 Sử dụng điện năng từ gió.
Vì gió không thổi đều đặn nên, để cung cấp năng lượng liên tục, năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời: Gió thổi vào ban đêm thường mạnh hơn ban ngày.
Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió.
Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao.
Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện.
Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió Cánh quạt gió sẽ được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí Động năng của gió được tích lũy vào hệ thống nhiều bình khí nén Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân phiên tuần tự phun vào các turbine để quay máy phát điện Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (dù gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn được nén vào bình, và người ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khí nén từ bình phun ra), hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí luân phiên để đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi 1 bình đang xả khí quay máy phát điện thì các bình khác sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén vào).
Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường ví dụ như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất.
2.1.2.2 Công suất lắp đặt trên thế giới
Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng lượng gió liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ bằng quyết tâm chính trị Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua.
Năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 20073 MW điện, trong đó Mỹ với
5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730 MW ở Ấn Độ và
1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện từ gió lên 94.112
MW Công suất này có thể thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, các vùng.
Khai thác, sử dụng trực tiếp năng lượng gió và mặt trời
Hình 2 3: Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời.
Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực nông nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm… nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lượng sản phẩm Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn được dùng để sấy các loại vật liệu như gỗ.
2.2.2 Thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời.
Hình 2 4: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT Thiết bị chưng cất nước thường có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23 USD/m 2 ), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn. Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước NLMT dùng để chưng cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch dùng cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cất nước NLMT có gương phản xạ đạt được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
2.2.3 Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời.
Hình 2 5: Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời Động cơ Stirling là một động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng piston Nó đã được sáng chế và phát triển bởi Robert Stirling vào năm 1816. Đây là loại động cơ nhiệt có hiệu suất cao, có thể đạt tới 50% đến 80% hiệu suất lý tưởng của chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch (như chu trình Carnot) trong việc chuyển hóa nhiệt năng thành công năng, chỉ bị mất mát do ma sát và giới hạn của vật liệu Động cơ này cũng hoạt động được trên nhiều nguồn nhiệt, từ năng lượng Mặt Trời, phản ứng hóa học đến phản ứng hạt nhân. Động cơ Stirling có thể có giá thành cao hơn các động cơ đốt trong cùng công suất, nhưng có những đặc tính thích nghi cho nhiều ứng dụng Nó có hiệu suất cao hơn, không gây nhiều tiếng ồn, hoạt động ổn định và bền, không cần bảo dưỡng nhiều, và có thể hoạt động với chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh trong dải rộng từ cỡ chục độ C đến hàng nghìn độ C.
2.2.4 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời.
Hình 2 6: Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Bếp năng lượng Mặt Trời là một thiết bị giữ các tia nắng và dùng năng lượng này để đun nấu các loại thực phẩm hoặc đun nước sôi.
Một trong các thiết kế là gồm một cái thau bằng nhôm, được cách ly tốt đặt trong một hộp gỗ Một tấm kiếng đậy trên miệng thau có gắn với một tấm phản chiếu ở phía sau.
Các thiết kế dùng gương hay thấu kính Fresnel để hội tụ ánh nắng vào điểm cần đun nấu có thể được dùng Các bếp này có thể đạt công suất vài trăm Watt và nhiệt độ tới 200°C.
2.2.5 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời.
Hình 2 7: Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở các thành phố lớn như: Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại.
Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng như trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%,còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp.
2.2.6 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời.
Hình 2 8: Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời
Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế. Ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng.
Cối xay gió là một loại máy chạy bằng sức gió Máy này được thiết kế để biến năng lượng gió thành các dạng năng lượng khác hữu dụng hơn Ở châu Âu, ban đầu người ta dùng cối xay gió để xay bột, về sau, cối xay gió được dùng để bơm nước, và gần đây dùng để phát điện (tuốc bin gió).
Cối xay gió được người Hồi giáo phát minh năm 634, dùng để xay bắp và thoát nước Vào mùa khô, chỉ có một nguồn sức đẩy duy nhất là gió, thổi ổn định theo một hướng trong nhiều tháng Cối xay gió có 6 – 12 cánh quạt được phủ vải hay cánh cọ Nó có trước cối xay đầu tiên ở châu Âu 500 năm.
Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời
2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống.
Hình 2 10: Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời
Năng lượng điện tạo ra từ Pin mặt trời và Máy phát điện gió được nạp vào Accu lưu trữ thông qua bộ điều khiện sạc lai (lai giữa gió và năng lượng mặt trời). Tải sử dụng năng lượng lấy từ Acqui thông qua một bộ biến tần. Ưu điểm của hệ thống này là nguồn điện tạo ra ổn định và liên tục hơn nhờ
2 nguồn năng lượng Gió và Mặt trời bổ sung cho nhau, độc lập hoàn toàn với lưới điện nên linh hoạt trong lắp đặt.
Nhược điểm của hệ thống là do kết hợp cả gió và mặt trời nên giá thành tương đối cao.
Hệ thống này dùng để cấp điện độc lập cho 1 tòa nhà, cấp điện độc lập cho trạm phát sóng vô tuyến hay cấp điện cho một khu vực chưa có điện lưới.
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các điôt p-n, duới sự tác động của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.Pin năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện được kết nối thành các modul hay các mảng năng lượng mặt trời Số tế bào quang điện được sử dụng trong tấm pin tùy theo công suất và điện áp yêu cầu.
Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lượng điện pin mặt trời có thể phát ra và năng lượng từ ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt trong 1m² hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin.
Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m 2 vào khoảng (25→30) mA/cm 3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời.Năng lượng mặt trời được tạo ra từ các tế bào quang điện (PV) là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng do lợi thế như không cần chi phí nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng ồn và mòn do sự vắng mặt của bộ phận chuyển động Về lý thuyết đây là một nguồn năng lượng lý tưởng Tuy nhiên, để hệ thống này được triển khai rộng rãi trong thực tế cần phải tiếp tục giải quyết một số vấn đề như: Giảm chi phí lắp đặt; tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và các vấn đề liên quan đến sự tương tác với các hệ thống khác.
2.3.2.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời.
Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua [9] Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp được chỉ ra trên hình 2.12 Ta có:
Trong đó: Igc là dòng quang điện (A); I 0 là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ tế bào quang điện; q là điện tích của điện tử, q = 1,6.10 -19 C; k là hằng sốBoltzman, k = 1,38.10 -23 J/K; F là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono F = 1,2; công nghệ Si-Poly F = 1,3, …; Tc là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào ( 0 K); Vd là điện áp trên điôt (V); Rp là điện trở song song.
Hình 2 11: Mạch tương đương của modul PV
Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức (2.2)
Với: à sc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dũng ngắn mạch (A/ 0 C); T ref là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện ( 0 K); T c là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện ( 0 K); I sc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ 25 0 C và bức xạ mặt trời 1kW/m 2 ); G là bức xạ mặt trời kW/m 2
Dòng bão hòa I 0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu thức
I 0α Trong đó I 0α là dòng điện bão hòa tại một bức xạ mặt trời và nhiệt độ tham chiếu; Vg là năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn được sử dụng làm tế bào; V 0c là điệnáp hở mạch của tế bào Từ các biểu thức (2.1), (2,2), (2.3), (2.4) ta xây dựng được mô hình mô phỏng modul PV trên Matlab Trong mô hình này các đầu vào là bức xạ mặt trời và nhiệt độ của tế bào quang điện, các đầu ra là điện áp và dòng điện PV Các thông số của mô hình thường được lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp.
Hình 2 12: Quan hệ I(U) và P(U) của PV Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đường đặc tính I(U) hai thông số là điện áp hở mạch UOC (khi dòng điện ra bằng 0) và Dòng điện ngắn mạch ISC (khi điện áp ra bằng 0).
Công suất của pin được tính theo công thức:
P=U.I (2.5) Tiến hành mô phỏng ta thu được họ đặc tính I(U) và đặc tính P(U) của pin mặt trời như hình 2.14 a,b,c,d
Hình 2 13: a, b, c, d : Họ đặc tính của PV
Trong đó hình 2.14a, b là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với các mức bức xạ khác nhau; hình 2.14c,d là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với nhiệt độ khác nhau Từ đó ta có nhận xét sau:
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi theo nhiệt độ.
- Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời.
- Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm
PV Mỗi đường đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi là điểm công suất cực đại (MPP - Max Power Point).
2.3.3 Tuabin gió và máy phát điện [12,13,14,15,16,17,18]
2.3.3.1 Cấu trúc chung của tuabin gió.
Tuabin gió nhỏ được phân ra hai loại: trục đứng (VAWTs) và trục ngang (HAWTs) Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi Ngày nay, tuabin gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi. Tuabin gió nhỏ có công suất từ 200W đến 50KW.
Hình 2.15 trình bày cấu tạo phong điện tuabin gió trục ngang Bao gồm các phần chính sau:
- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển.
- Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay.
- Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
- Controller: Bộ điều khiển Điều khiển máy phát (chủ yếu điều khiển dòng điện roto của máy phát).
- Gear box: Hộp số Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.
- Generator: Máy phát (Phát ra điện).
- High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp
Hình 2 14: Cấu tạo tuabin gió truc ngang
- Nacelle: Vỏ Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller, and brake Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
- Pitch: Bước răng Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
- Tower: Trụ đỡ Nacelle Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hướng tuabin gió.
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió.
- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho "yaw drive" định được hướng gió.
Hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời làm việc độc lập
Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập là hệ thống sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để tạo ra dòng điện Dòng điện này tự hoạt động để cung cấp điện cho các thiết bị sinh hoạt mà không cần kết nối với hệ thống điện lưới.
Hình 2 19: Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập.
2.4.2 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng
Một hệ thống điện năng lượng mặt trời theo mô hình độc lập bao gồm:
- Các tấm pin mặt trời(Solar Panels PV).
- Hệ thống lưu trữ( Ắc quy).
- Bộ chuyển đổi điện áp DC-AC (inverter).
Các tấm pin mặt trời có nhiệm vụ hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển thành dòng điện một chiều (DC) Dòng điện DC này được nạp vào hệ thống lưu trữ (ắc quy) thông qua bộ điều khiển sạc Cuối cùng thông qua bộ chuyển đổi DC-AC (inverter) Dòng điện một chiều được chuyển đổi thành dòng xoay chiều để cung cấp và sử dụng cho các thiết bị điện dân dụng thường ngày.
Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập được ứng dụng rộng rãi trên nhiều vùng tại nhiều quốc gia Ứng dụng cụ thể cho các vùng không có điện lưới, vùng hải đảo xa xôi, vùng có điện nhưng không ổn định.
Nhưng hệ thống năng lượng mặt trời độc lập cũng có những nhược điểm là thường là công suất nhỏ và phải dùng ắc quy Mặt khác acquy là thiết bị có tuổi thọ ngắn, cần phải bảo dưỡng định kì hàng năm do đó hệ thống này đòi hòi chi phí bảo dưỡng, lắp đặt cao hơn hệ thống điện mặt trời nối lưới.
HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
2.5.1 Sơ đồ khối hệ thống.
Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời (còn gọi là hệ thống lai điện gió và điện mặt trời) là một hệ thống cho phép tích hợp năng lượng điện gió và điện mặt trời trong một bộ biến đổi điện tử công suất để biến thành điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz (hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải hoặc nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới điện khu vực Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và là một bộ phận không thể thiếu được của lưới điện thông minh.
Hình 2 20: Hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời nối lưới
2.5.3 Các nhiệm vụ điều khiển trong hệ thống. Đối với điện mặt trời có các khối:
- Khối Modul quang điện (PV) làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin.
- Khối dò điểm công suất tối đa với giải thuật tìm điểm công suất cực đại của modul PV ứng với giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ.
- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá trị phù hợp và ổn định để hòa với điện gió thông qua thanh cái một chiều (DC bus). Đối với điện gió có các khối:
- Tuabin gió biến đổi năng lượng gió thành cơ năng làm quay máy phát điện.
- Máy phát điện cảm ứng thường là máy phát điện cảm ứng 3 pha roto lồng sóc, máy phát ra điện áp xoay chiều tần số 50Hz Đối với hệ thống công suất nhỏ, đôi khi người ta sử dụng máy phát điện một chiều.
- Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều (AC/DC) có nhiệm vụ chỉnh lưu và biến đổi điện áp ở đầu ra máy phát điện thành điện áp một chiều ổn định và có trị số phù hợp để hòa với điện mặt trời qua DC bus.
Như vậy, trong "Hệ thống tích hợp" này, năng lượng từ các nguồn khác nhau được biến đổi thành năng lượng điện và hòa vào nhau dưới dạng năng lượng điện một chiều, năng lượng này sau đó được sử dụng trực tiếp cho tải một chiều hoặc đưa qua bộ biến đổi DC/AC chuyển thành năng lượng xoay chiều dùng trực tiếp cho tải xoay chiều hoặc kết nối với lưới điện.
Hình 2 21: Sơ đồ khối hệ thống tích hợp năng lượng gió và mặt trời
Kết luận chương 2
Chương 2 mô tả cấu trúc hệ thống lai điện gió và điện mặt trời nối lưới; chức năng của các khối cơ bản; xây dựng mô hình toán PV và tuabin gió; Các ứng dụng khai thác và sử dụng trực tiếp năng lượng gió và mặt trời.