Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối llưới

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài luận văn “Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối lưới” do thầy PGS.TS Đoàn Quang Vinh hướng dẫn là công trình nghiên cứu

LƯƠNG HIỆP

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài luận văn “Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối lưới” do thầy PGS.TS Đoàn Quang Vinh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi; trong đó tôi có sử dụng một số tài liệu để tham khảo và trích dẫn Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Đặng Quốc Lợi

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Học viên: Đặng Quốc Lợi Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 8520216 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Ngày nay, hệ thống điện mặt trời đang được sử dụng rộng rãi do thiếu năng lượng trên toàn thế giới Tuy nhiên, tại Việt Nam, mặc có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào nhưng việc nghiên cứu và ứng dụng chúng để sản xuất điện năng còn hạn chế Để đạt được dòng điện bơm vào lưới điện hình sine, giảm tỉ lệ sóng hài và cũng như nguồn DC bơm vào lưới, luận văn này nghiên cứu ứng dụng bộ nghịch lưu lai 5 mức kiểu Cascade diode kẹp 3/2 (bao gồm một bộ nghịch lưu ba mức và 01 bộ nghịch lưu hai mức kiểu NPC) vào hệ thống điện mặt trời nối lưới Để hệ thống điều khiển điện mặt trời nối lưới, ta sử dụng mạch mạch vòng dòng điện kết hợp với kỹ thuật điều chế sóng mang PWM Mặt khác, để pha và tần số của dòng đặt bám theo điện áp lưới, ta sử dụng vòng lặp khóa pha (PLL- Phase Lock Loop) để điều khiển Kết quả mô phỏng hệ thống: dòng điện ba pha bơm vào lưới hình sine, THD I = 0.31%, tổng các dòng hài từ bậc 2 đến bậc 10 của nguồn bơm vào lưới là 0.37%, tỉ lệ dòng DC bơm vào lưới 0.02% Khi lưới điện bị sự cố mất điện, bộ nghịch lưu sẽ ngừng làm việc, khi lưới có điện trở lại thì bộ nghịch lưu tiếp tục được đưa vào làm việc ngay lập tức và bơm dòng vào lưới điện

Từ khóa - pin quang điện, bộ nghịch lưu đa mức, vòng lặp khóa pha, điều chế độ rộng xung, nối lưới

RESEARCH APPLICATION MULTILEVEL INVERTER IN SOLAR POWER SYSTEM ON GRID

Abstract - Today, solar power systems are being used extensively due to lack of energy around the world However, in Vietnam, despite the abundant sources of solar energy, research and application of them to produce electricity is limited In order to achieve the electric current of the pump into the sinusoidal, reducing the harmonics ratio as well as the

DC source to the grid, this thesis investigates the application of hybrid five level inverter type cascade NPC (includes a three-level NPC inverter and a two level NPC inverter) into a grid connected solar system In order to connect the grid connected solar power system, we use a current loop circuit in combination with the PWM carrier modulation technique On the other hand, for the phase and frequency of the current applied to the grid voltage, a phase lock loop (PLL) is used for control Simulation results: Three-phase current injected into the sine screen, THDI = 0.31%, total harmonic current from level 2 to level 10 was 0.37%, DC current injection ratio 0.02% When the power grid fails, the inverter will stop working, when the grid

is back, the inverter is immediately put into work immediately and injected into the grid Key words – photovoltage, multilevel inverter, phase lock loop, pulse width modulation, on grid

MỤC LỤC

1 Tính cấp thiết của đề tài …1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI……… 4

1.1 Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam và tỉnh Đắk Lắk 4

1.1.1 Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam 4

1.1.2 Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Đắk Lắk 7

1.2 Pin mặt trời 8

1.2.1 Tổng quan về pin mặt trời 8

1.2.2 Tấm pin mặt trời (PV module) 10

1.2.3 Mãng PV (PV array) 11

1.2.4 Một số nhân tố ảnh hưởng đến sự làm việc của pin mặt trời 12

1.2.5 Điểm làm việc với công suất cực đại của PV 13

1.3 Lý thuyết về hệ thống điện mặt trời độc lập 15

1.3.1 Bộ biến đổi DC/DC 16

1.3.2 Bộ nghịch lưu DC-AC 18

1.4 Tổng quan về hệ thống điện mặt trời nối lưới 19

1.4.1 Lý thuyết chung về hòa đồng nguồn điện 19

1.4.2 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp nối lưới hệ thống PV 20

1.4.3 Vòng lặp khóa pha PLL 21

CHƯƠNG 2 BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN……… ……… ……… 23

2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp đa mức 23

2.1.1 Bộ nghịch lưu áp hai mức 23

2.1.2 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu diode kẹp 25

2.1.3 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (kiểu cascade) 28

2.1.4 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu tụ kèm 29

Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng tụ kèm (Flying Capacitor Inverter) tương tự như bộ nghịch lưu đa mức kiểu điốt kẹp (thay điốt kẹp bằng tụ điện) 29

2.1.5 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu lai ghép 30

2.2 Một số tiêu chí đánh giá trong kỹ thuật điều chế độ rộng xung nghịch lưu 33

2.2.1 Chỉ số điều chế (m) 33

2.2.2 Độ méo dạng tổng do sóng hài (THD) 33

2.2.3 Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt 33

2.2.4 Vấn đề Common Mode 34

2.3 Các phương pháp điều chế bộ nghịch lưu áp 34

2.3.1 Phương pháp điều rộng xung sin (SHPWM) 34

2.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO-PWM) 37

2.3.3 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) 39

2.4 Phân tích thuật toán cho bộ nghịch lưu áp đa mức 40

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC……… ……… ….44

3.1 Phân tích hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức……… ………… ………44

3.1.1 Module PV 46

3.1.2 Khối nguồn DC 48

3.1.3 Bộ nghịch lưu 50

3.1.4 Khối đo lường: 51

3.1.5 Khối tạo điện áp điều khiển đồng bộ với lưới: 51

3.1.6 Khối điều chế và tạo xung kích các khóa van 52

3.2 Mô phỏng 53

3.2.1 Thông số mô phỏng 53

3.2.2 Kết quả mô phỏng 54

3.3 Phân tích đánh giá kết quả mô phỏng 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… ……… ….59

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ………… … 60

PHỤ LỤC……….61

2.4 Pha A của bộ nghịch lưu áp NPC năm mức 27 2.5 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa mức kiểu Cascade (5 mức) 28 2.6 Đơn giản hoá sơ đồ pha A bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cascade 29 2.7 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa mức kiểu tụ kèm (3 mức) 30 2.8 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa mức lai kiểu cascade diode kẹp 3/2 30 2.9 Sơ đồ thay thế tương đương sơ đồ trên hình 2.8 31 2.10 Phạm vi điều chế tuyến tính của phương pháp SPWM 36 2.11 Phương pháp bố trí sóng mang tam giác cùng pha PD 36 2.12 Phương pháp bố trí sóng mang tam giác cùng pha POD 37 2.13 Phương pháp bố trí sóng mang tam giác cùng pha APOD 37 2.14 Phạm vi điều khiển tuyến tính của phương pháp SFO-PWM 39 2.15 Bộ nghịch lưu áp 3 pha ba mức NPC và vector không gian tương ứng 40 2.16 Mô hình thuật toán điều khiển sóng mang PWM cho bộ nghịch lưu 41 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới 44 3.2 Mô hình module PV theo dòng điện I trên Matlab/Simulink 47 3.3 Đồ thị đặc tuyến I-V (hình a) và P-V (hình b) của module PV tương ứng với các độ chiếu (200, 400, 600, 800, 1000) W/m2 48 3.4 Đồ thị điện áp, dòng điện và công suất tại điểm MPP tương ứng với các độ chiếu (200, 400, 600, 800, 1000) W/m2 48 3.5 Cấu trúc PV array 1, PV array 2, PV array 3 49

3.7 Đồ thị điện áp đầu ra các PV array và bộ biến đổi Boost 50 3.8 Mạch động lực của bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cascade diod kẹp gồm 01 mạch nghịch lưu 3 mức NPC và 2 mức NPC 51

3.10 Khối tạo điện áp điều khiển 52 3.11 Khối tạo xung kích các IGBT của Inverter 52 3.12 Mô hình tổng hợp hệ thống trên Matlab 53

3.13 Sóng điện áp điều khiển tại ngõ ra khối tạo điện áp điều khiển 54 3.14 Xung kích các IGBT pha A của bộ nghịch lưu 54 3.15 So sánh sóng mang đơn vị và sóng điều chế pha A để tạo xung kích 54 3.16 Sóng dòng điện pha pha tại đầu ra bộ nghịch lưu 55 3.17 Sóng điện áp A tại đầu ra bộ nghịch lưu 55 3.18 Sóng dòng điện ba pha tại điểm đối nối 55 3.19 Sóng điện áp ba pha tại điểm đối nối 55 3.20 Sóng điện áp pha A đồng bộ giữa lưới và inverter 56 3.21 Phân tích phổ hài dòng điện pha A tại điểm đấu nối 56 3.22 Phân tích tỉ lệ dòng điện các bậc của dòng điện pha A tại điểm đấu nối 56 3.23 Phổ hài điện áp pha A tại điểm đấu nối 57 3.24 Dòng điện ba pha tại điểm đấu nối khi mất điện lưới từ (0.02-0.05s) 57

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CÁC KÝ HIỆU:

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NLMT: Năng lượng mặt trời

ĐMT: Điện mặt trời

QHĐ VII ĐC: Quy hoạch điện VII điều chỉnh

NMTĐ: Nhà máy thủy điện

PV: Photovoltage

PLL: Phase Lock Loop

DC: Direct Current

AC: Alternating Current

MPP: Maximum Power Point

PWM: Pulse Width Modulation

NPC: Netural Point Clamped

THD: Total Harmonic Distortion

CM: Common Mode

PI: Proportional–Integral controller

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Điện năng đóng một vài trò vô cùng quan trọng trong quá trình phát triển của bất kỳ quốc gia nào, trong đó có cả Việt Nam Ngày nay, nguồn nguyên liệu để sản xuất điện năng phụ thuộc phần lớn vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: dầu mỏ, than đá, khí đốt Cùng với tốc độ phát triển kinh tế hiện nay, thì nhu cầu sử dụng điện của các nước trên thế giới ngày càng tăng dẫn đến các nguồn nhiên liệu càng trở nên cạn kiệt Mặt khác, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch hóa thạch

để sản xuất điện cũng gây ảnh hướng lớn đến môi trường như làm tăng nồng độ

CO2, gây hiệu ứng nhà kính Đứng trước tình trạng đó, các nguồn năng lượng tái tạo đang dần được khai thác để sử dụng như: năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng mặt trời, .Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời đang nhận được sự quan tâm lớn của các quốc gia trên thế giới, trong đó có việc sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện năng

Việt Nam là một nước nhiệt đới có nguồn năng lượng mặt trời vô cùng dồi dào trải trải rộng khắp cả nước Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện năng còn hạn chế và chỉ dừng lại ở một số nhà máy điện mặt trời với công suất hạn chế và độc lập với lưới điện Trong khi đó, cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế luôn ở mức cao thì tình trạng cung cấp điện về mùa khô trong những năm trở lại đây vô cùng căng thẳng Do vậy, việc phát triển điện mặt trời nối lưới được xem là một giải pháp khắc phục tình trạng thiếu điện hiện nay

Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC và có điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời do đó điện áp và công suất ngõ ra thay đổi rất nhiều Để hệ thống điện mặt trời hoà được vào lưới truyền tải hoặc là phân phối thì hệ thống điện mặt trời phải giải quyết 2 vấn đề cơ bản đó là chuyển đổi từ DC sang AC và ổn định điện áp ngõ ra của hệ thống

Một vấn đề cần quan tâm hiện nay đó là sóng hài trong lưới điện Tác hại của sóng hài đối với thiết bị nối vào lưới điện vô cùng nghiêm trọng: làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện; các thiết bị bảo vệ có thể bị báo lỗi, tác động sai; gây sai

số cho thiết bị đo, Một trong những nguồn gây ra sóng hài đó là các bộ nghịch lưu Do vậy, để hệ thống điện mặt trời có thể nối với lưới điện thì phải đảm bảo Độ méo dạng tổng do sóng hài do nguồn điện mặt trời phát ra phải nằm trong giới hạn cho phép

Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất và công nghệ xử lý tín hiệu, thì việc nghiên cứu và ứng dụng nghịch lưu đa mức trở nên phổ biến So với các bộ nghịch lưu hai mức truyền thống, thì các bộ chuyển đổi đa mức kết hợp với các phương pháp điều chế khác nhau có thể: tạo ra dạng sóng với lượng

sóng hài thấp, dòng ngõ ra với độ méo rất thấp, điện áp common-mode (CM) tạo ra cũng rất thấp thậm chí là triệt tiêu

Hiện nay tại đơn vị tác giả đang công tác đang có một số dự án điện mặt trời chuẩn bị được triển khai tại lòng hồ các Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp, Buôn Tua Srah và Srêpốk 3 cũng như một số dự án khác trên địa bàn tỉnh Đắk Lắk, Đắk Nông Chính vì vậy, tác giả đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối lưới"

2 Mục đích nghiên cứu

- Nhằm từng bước tìm hiểu, nắm bắt và làm chủ công nghệ cũng như thiết bị liên quan đến điện mặt trời đấu nối vào lưới điện, trước mắt là để phục vụ hoàn thành luận văn Thạc sỹ của tác giả Về lâu dài hơn là phục vụ cho việc triển khai các dự án điện mặt trời của Công ty Thuỷ điện Buôn Kuốp (nơi mà tác giả đang công tác) sẽ thực hiện tại tỉnh Đắk Lắk

- Hoàn thiện và làm sáng tỏ thêm lý thuyết về bộ nghịch lưu áp đa mức ứng dụng trong lĩnh vực điện mặt trời

- Nắm bắt cách thức và phương pháp nghiên cứu khoa học, kỹ năng trình bày một công trình nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức

- Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng nghịch lưu đa mức thông qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không

đề cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực

4 Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet);

- Tham dự hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu;

- Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink;

- Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: việc nghiên cứu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối lưới” sẽ là cơ sở: Nâng cao khả năng nghiên cứu khoa học cho người thực hiện đề tài Đồng thời góp phần làm rõ thêm các vấn đề liên quan đến bộ nghịch lưu đa mức mà các công trình và bài báo trước đây đã trình bày

- Ý nghĩa thực tiễn: Hiện nay tại đơn vị tác giả đang công tác đang có một số

dự án điện mặt trời chuẩn bị được triển khai tại lòng hồ các Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp, Buôn Tua Srah và Srêpốk 3 cũng như một số dự án khác trên địa bàn tỉnh Đắk Lắk, Đắk Nông Do vây đề tài được hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng có

ý nghĩa ứng dụng trong thực tế để thiết kế, lựa chọn thiết bị cho các dự án nói trên

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn được chia làm 03 chương:

Chương 1: Hệ thống điện mặt trời

Chương 2: Bộ nghịch lưu áp đa mức và các phương pháp điều khiển

Chương 3: Hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam và tỉnh Đắk Lắk

1.1.1 Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam

a Hiện trạng điện mặt trời tại Việt Nam

Tại Việt Nam việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để sản xuất điện còn hạn chế, tổng công suất khoảng 4MW điện mặt trời (ĐMT), trong đó một vài hệ thống đã thí điểm nối lưới có công suất lớn, mang lại hiệu quả [1] như:

- Hệ thống điện mặt trời 200kWp của tập đoàn Intel tại Khu Công nghệ cao TPHCM

- Hệ thống 140kWp trong khu Công nghiệp Tân Tạo

- Hệ thống 212kWp của trên mái bãi đỗ xe của siêu thị Big C tại Dĩ An – Bình Dương

- Hệ thống 120kWp trong trường ĐH Tôn Đức Thắng – Tp Hồ Chí Minh

- Hệ thống 140kWp trên sân thượng Công ty Điện lực Bà Rịa Vũng Tàu Ngoài ra, hiện có một số dự án đã được cấp phép đầu tư và được bổ sung vào quy hoạch phát triển điện lực cũng như chuẩn bị đầu tư:

- Nhà máy điện mặt trời (NMĐMT) Thiên Tân tại huyện Mộ Đức tỉnh Quảng Ngãi, do Công ty CP Đầu tư và xây dựng Thiên Tân làm chủ đầu tư với quy mô 19.2MW

- NMĐMT Tuy Phong tại huyện Tuy Phong tỉnh Bình Thuận, do Công ty TNHH DooSung Vina làm chủ đầu tư với quy mô 30MW

- NMĐMT Eco Seido tại Tuy Phong tỉnh Bình Thuận, do Công ty TNHH Năng Lượng Xanh Eco Seido làm chủ đầu tư với quy mô giai đoạn 1 lắp đặt 40MW

- NMĐMT trên hồ thủy điện Đa Mi với công suất 47.5MW

b Các chính sách phát triển điện mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo, trong đó nguồn NLMT phong phú với bức xạ nắng trung bình là 5kWh/m2/ngày phân bổ trên khắp đất nước

Chính sách năng lượng tái tạo của Việt Nam được điều hành dựa vào nhu cầu cung cấp đủ năng lượng cho phát triển kinh tế và đảm bảo bảo vệ môi trường Vì nhu cầu về năng lượng của Việt Nam được dự báo tăng bốn lần từ 2005-2030 và nhu cầu về điện sẽ tăng chín lần từ 2005-2025, việc khai thác năng lượng tái tạo sẽ giúp Việt Nam giảm được sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch, nhiên liệu ngoại nhập và đảm bảo an ninh năng lượng

Chính phủ Việt Nam đã ban hành nhiều chính sách khuyến khích phát triển ĐMT, đề ra mục tiêu sử dụng và hướng đến một thị trường điện cạnh tranh với nguồn đầu tư và mô hình kinh doanh đa dạng [1] Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25 tháng 11 năm 2015 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển Năng lượng quốc gia của Việt Nam đến năm 2020 tầm nhìn 2050, trong đó Chính phủ khuyến khích việc phát triển và sử dụng năng lượng mới và năng lượng tái tạo; cung cấp các hỗ trợ tài chính cho nghiên cứu sản xuất thử và xây dựng những mô hình thí điểm; miễn thuế nhập khẩu thuế sản xuất và lưu thông

Theo Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25 tháng 11 năm 2015 của Thủ tướng Chính phủ, mục tiêu và định hướng phát triển mặt trời như sau:

- Mục tiêu: Mục tiêu chiến lược là tăng sản lượng điện sản xuất từ năng lượng tái tạo tăng từ khoảng 58 tỷ kWh năm 2015 lên đạt khoảng 101 tỷ kWh vào năm 2020, khoảng 186 tỷ kWh vào năm 2030 và khoảng 452 tỷ kWh vào năm

2050 Tỷ lệ điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo trong tổng điện năng sản xuất toàn quốc tăng từ khoảng 35% vào năm 2015 tăng lên khoảng 38% vào năm 2020; đạt khoảng 32% vào năm 2030 và khoảng 43% vào năm 2050

- Định hướng phát triển nguồn NLMT:

Phát triển điện mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện lưới quốc gia Điện năng sản xuất từ NLMT tăng từ khoảng 10 triệu kWh năm 2015 lên khoảng 1.4 tỷ kWh vào năm 2020; khoảng 35.4 tỷ kWh vào năm 2030 và khoảng

210 tỷ kWh vào năm 2050 Đưa tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn NLMT trong tổng sản lượng điện sản xuất từ mức không đáng kể hiện nay lên đạt khoảng 0.5% vào năm 2020, khoảng 6% vào năm 2030 và khoảng 20% vào năm 2050

Ngoài ra, [1] theo Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ về việc Phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 Về định hướng phát triển cac nguồn điện, trong đó:

Đẩy nhanh phát triển nguồn điện sử dụng NLMT, bao gồm cả nguồn tập trung lắp đặt trên mặt đất và nguồn phân tán lắp đặt trên mái nhà: Đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 850 MW vào năm

2020, khoảng 4,000 MW vào năm 2025 và khoảng 12,000 MW vào năm 2030 Điện năng sản xuất từ nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng khoảng 0.5% năm 2020, khoảng 1.6% vào năm 2025 và khoảng 3.3% vào năm 2030

c Triển vọng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam

Theo [1] Quy hoạch VII điều chỉnh (QHĐ VII ĐC) dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2020 thì tại miền Nam sẽ thiếu hụt khoảng 4,000 GWh, các năm sau 2020 mặc

dù có thừa công suất nhưng độ dự phòng thấp Do đó nhu cầu về nguồn điện là rất cần thiết

Bảng 1.1: Nhu cầu phụ tải toàn quốc và từng miền theo QHĐ VII ĐC được dự báo

Do đó, xây dựng các dự án điện sử dụng năng lượng tái tạo không những góp phần bổ sung vào cấu trúc nguồn điện quy hoạch đã đề ra mà còn tận dụng tối đa và hiệu quả diện tích đất

1.1.2 Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Đắk Lắk

a Nhu cầu điện năng tỉnh Đắk Lắk

Theo quy hoạch phát triển điện lực tỉnh Đắk Lắk giai đoạn 2016-2025, tầm nhìn đến năm 2035 (đã được báo cáo tại Bộ Công Thương) [1], nhu cầu điện bình quân từ năm 2016-2020 tăng trưởng 12.2%/năm cao hơn so với giai đoạn trước tăng 9.77%, giai đoạn 2021-2025 tăng 10.7%

Để đáp ứng nhu cầu công suất và phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Đắk Lắk cần có nhiều nguồn điện cung cấp nhất là các nguồn cấp tại chỗ

b Tiềm năng phát triển ĐMT tại tỉnh Đắk Lắk

- Đắk Lắk là một trong những tỉnh có cường độ bức xạ mặt trời tốt Với nhiều hồ thủy điện và thủy lợi lớn nhỏ khác nhau phù hợp cho phát triển ĐMT

- Hiện tại tỉnh Đắk Lắk có nhiều nhà đầu tư tìm kiếm và xin xây dựng (NMĐMT), một số nhà đầu tư đã được UBND tỉnh cho chủ trương khảo sát đo nắng và bổ sung quy hoạch

- Ngoài ra tỉnh Đắk Lắk cũng đang tiến hành thực hiện lập quy hoạch phát triển điện mặt trời đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030

c Tiềm năng về ĐMT tại dự án mà tác tác giả đang công tác:

- Hồ chứa NMTĐ Buôn Kuốp: Theo nguồn dữ liệu bức xạ từ Meteonorm [1], bức xạ trung bình năm tại khu vực dự án khoảng 5.09 kWh/m2.ngày Bức xạ cao nhất là vào tháng 4 với 5.76 kWh/m2.ngày và thấp nhất là tháng 12 với 3.89 kWh/m2.ngày Như vậy, đây là khu vực có nguồn bức xạ tốt, có tiềm năng khoảng 212MW

Hình 1.1: Bức xạ mặt trời và tiềm năng về điện mặt trời dự án Buôn Kuốp [1]

- Hồ chứa NMTĐ Buôn Tua Srah: Theo nguồn dữ liệu bức xạ từ Meteonorm [1], bức xạ trung bình năm tại khu vực dự án khoảng 5.04 kWh/m2.ngày Bức xạ

cao nhất là vào tháng 3 với 5.85 kWh/m2.ngày và thấp nhất là tháng 11 với 3.81 kWh/m2.ngày Như vậy, đây là khu vực có nguồn bức xạ tốt, có tiềm năng khoảng 600MW

Hình 1.2: Bức xạ mặt trời và tiềm năng về điện mặt trời dự án Buôn Tua Srah [1]

- Hồ chứa NMTĐ Srêpốk 3: Theo nguồn dữ liệu bức xạ từ Meteonorm [1], bức xạ trung bình năm tại khu vực dự án khoảng 5.05 kWh/m2.ngày Bức xạ cao nhất là vào tháng 2 với 5.69 kWh/m2.ngày và thấp nhất là tháng 12 với 3.95 kWh/m2.ngày Như vậy, đây là khu vực có nguồn bức xạ tốt có tiềm năng khoảng 540MW

Hình 1.3: Bức xạ mặt trời và tiềm năng về điện mặt trời dự án Srêpốk 3 [1] Nhận xét:

Xây dựng các dự án ĐMT không những góp phần bổ sung vào cấu trúc nguồn điện quy hoạch đã đề ra mà còn tận dụng tối đa và hiệu quả diện tích đất Góp phần vào sự phát triển chung kinh tế- xã hội của khu vực tỉnh Đắk Lắk nói riêng và cả nước nói chung

Xây dựng NMĐMT trên hồ thủy điện Buôn Kuốp, Buôn Tua Srah và Srêpốk 3

là cần thiết nhằm hỗ trợ cung cấp điện cho khu vực Miền Nam đang thiếu hụt, giảm phát thải CO2

1.2 Pin mặt trời

1.2.1 Tổng quan về pin mặt trời

Pin mặt trời hay pin quang điện (PhotoVoltaic – PV) là thiết bị bán dẫn thường được làm từ vật liệu Silicon, hoặc vật liệu bán dẫn khác, có nhiệm vụ hấp thụ và chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng

Hình 1.4: Sơ đồ thay thế tương đương của PV khi không xét đến tổn hao Phương trình diode thể hiện dòng chảy electron và lỗ trống trong bán dẫn như sau:

T : nhiệt độ tuyệt đối (oK)

n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ pin mặt Trời Gần đúng có thể lấy n = 1

Trong pin quang điện, hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch Isc

Từ hình 1.4 ta có dòng điện PV:

qV nkT sc

Trong thực tế PV luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này là Rs (điện trở biểu thị cho dòng rò ở rìa PV) và Rp (điện trở dây nối giữa PV và tải)

Hình 1.6: Sơ đồ thay thế tương đương của PV khi xét đến tổn hao

Từ hình 1.6, áp dụng định luật Kirchhoff 1 ta có phương trình dòng điện PV khi xét đến ảnh hưởng của cả Rs và Rp như sau:

VPVmodule = n.(Vd – I.RS) (1.7) Trong đó: n là số lượng PV

Chẳng hạn, muốn có một tấm PV với điện áp 12V thì ta mắc nối tiếp 20 PV

Hình 1.8: Cấu trúc mãng PV với nhiều tấm PV mắc nối tiếp

- Nếu muốn tăng dòng điện ngõ ra của hệ thống thì ta cần mắc song song nhiều tấm PV (hình 1.9)

Hình 1.9: Cấu trúc mãng PV với nhiều tấm PV mắc song song

- Để tăng cả dòng và áp ngõ ra hệ thống PV thì ta thực hiện việc mắc hỗn hợp (vừa nối tiếp vừa song song – hình 10a)

a b

Hình 1.10: Cấu trúc mãng PV đấu nối hỗn hợp (a) và đặc tính I-V tương ứng (b) 1.2.4 Một số nhân tố ảnh hưởng đến sự làm việc của pin mặt trời

Hiệu suất của tấm pin mặt trời, phụ thuộc vào công nghệ chế tạo, về lý thuyết

có thể lên tới 30% Bên cạnh đó, một số yếu tố tự nhiên và cách lắp đặt, sử dụng có tác động lớn đến hiệu suất của pin mặt trời như: điều kiện khí hậu, hướng lắp đặt, góc nghiêng lắp đặt, chất lượng của các tế bào quang, chế độ bảo dưỡng

Là thiết bị biến đổi quang năng thành điện năng, vì thế pin mặt trời chỉ hoạt động khi có cánh sáng Khi ánh sáng yếu, mưa, thời tiết âm u, buổi đêm, … thì pin mặt trời sẽ không hoạt động hoặc với hiệu suất rất thấp

Hình 1.11: Ảnh hưởng của độ chiếu ứng lên đặc tính I-V của PV

Hình 1.12: Ảnh hưởng của độ chiếu lên hiệu hiệu suất PV

Về góc làm việc của tấm pin NLMT, đối với Việt Nam, hướng Nam là hướng

có tổng thời gian đón bức xạ mặt trời nhiều nhất trong năm và là hướng tối ưu để lắp tấm pin năng lượng mặt trời Để nhận được tối đa năng lượng mặt trời dưới dạng quang năng, khi lắp đặt cần phải quan tâm đến độ nghiêng của thiết bị Ở Việt Nam góc nghiêng tối ưu nhất khi lắp đặt các tấm pin mặt trời là 15 - 45 độ, độ dốc nghiêng thấp dần về phía Nam Ví dụ ở Hà Nội, độ nghiêng hợp lý nhất là khoảng

20 - 22 độ, và ở Thành phố Hồ Chí Minh là 16 - 18 độ

Hiệu suất tấm pin cũng sẽ giảm dần theo thời gian, khi một tế bào quang trên tấm pin hỏng thì hiệu suất giảm rất nhiều Các tấm PMT hiện đang bán tại Việt Nam phần lớn có xuất xứ từ Trung Quốc, một số ít từ Châu Âu được quảng cáo có thời gian sử dụng lên tới 30 năm, tuy nhiên thời hạn này cũng chưa được kiểm chứng Tại Việt Nam chưa có một khuyến cáo chính thức, tuy nhiên Hiệp hội quang điện Úc (APVA), hiệp hội năng lượng mặt trời Úc (AUSES) khuyến cáo người tiêu dùng nên chọn các sản phẩm có nhà bảo hành là nhà sản xuất chứ không phải đơn vị nhập khẩu

Việc bảo dưỡng thường xuyên, ở đây là công tác làm sạch các tấm PMT là rất cần thiết trong điều kiện môi trường, khí hậu tại Việt Nam, việc bề mặt các tấm PMT bị bám bẩn sẽ ngăn cản quá trình biến đổi quang năng thành điện năng, làm giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị

1.2.5 Điểm làm việc với công suất cực đại của PV

Điểm làm việc với công suất cực đại (Maximun Power Point - MPP) đó là điểm làm việc hiệu quả nhất của PV theo các mức độ bức xạ hấp thu được Do sự thay đổi nhu cầu của từng loại tải cũng như biến động áng sáng của môi trường nên trong quá trình làm việc của PV không phải lúc nào cũng ở điểm MPP

Ví dụ: Xét một đường cong đặc trưng của PV ở điều kiện chuẩn, nếu cung cấp cho một tải tiêu thụ là điện trở thuần R, thì đường cong đặt trưng của tải là một đường thẳng qua góc tọa độ và có độ dốc với trục 0V với tgα =1/R; và điểm giao

nhau giữa đường cong PV và R là điểm làm việc Và điểm làm việc này suy ra được công suất của PV cung cấp cho tải, nhưng không có nghĩa là toàn bộ công suất của

PV được cung cấp cho tải Như vậy vấn đề đặt ra là sử dụng như thế nào là hiệu quả nhất

Như vậy, ở mỗi điểm làm việc khác nhau ta sẽ có một công suất khác nhau, nên vấn đề đặt ra là phải xác định vị trí làm việc mà tại đó công suất thu được là lớn nhất Để đơn giản vấn đề xét tải của PV là một tải thuần trở:

1 hay

Nếu ta giữ cố định điện trở và thay đổi cường độ bức xạ, thì sẽ thu được một

họ các đường đặc tính PV, tương ứng cũng có vô số các điểm làm việc khác nhau Tương ứng với mỗi đường đặc tính cũng sẽ có một điểm MPP mà tại đó Pm

* Bộ dò tìm điểm công suất cực đại

Bộ dò tìm điểm làm việc công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking - MPPT) nhận các tín hiệu của PV (dòng, áp) sau đó dùng các thuật toán khác nhau

để xác định điểm làm việc MPP và truyền các tín hiệu điều khiển này điều khiển đóng cắt bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC để thu được công suất lớn nhất

Điểm MPP thường nằm ở khủy của đường đặc tính I-V của pin PV Sau khi MPPT tính toán được điểm MPP sẽ đưa tín hiệu điều khiển về điều khiển đóng cắt

bộ DC/DC

1.3 Lý thuyết về hệ thống điện mặt trời độc lập

Hệ thống điện mặt trời độc lập là hệ thống sử dụng NLMT để tạo ra điện để cung cấp cho một phụ tải hoặc nhóm phụ tải đơn lẻ và không nối với mạng lưới điện quốc gia hay lưới địa phương Hệ thống này thường được ứng dụng ở các khu vực không có lưới điện và công suất hệ thống tương đối nhỏ (nhỏ hơn 10kWp) Đây

là hệ thống được sử dụng phổ biến hiện nay

Một hệ thống điện mặt trời độc lập bao gồm một số phần tử chính sau: các tấm pin quang điện (PV array), bộ biến đổi DC/DC (DC/DC converter), bộ nghịch lưu DC/AC (DC/AC inverter), tải DC, tải AC (hình 1.16)

DC/DC converter InverterDC/AC

PV array

ra từ hệ thống PV không đủ cấp cho tải, hoặc vào ban đêm khi hệ thống PV không làm việc, do đó để đảm bảo cấp nguồn cho tải thì hệ thống còn trang bị thêm giàn bình giàn bình ắcquy Giàn bình ắcquy có nhiệm vụ nạp khi điện tạo ra từ hệ thống

PV lớn hơn nhu cầu tải và xả khi điện tạo ra từ hệ thống PV nhỏ hơn nhu cầu của tải (hình 1.15)

Hình 1.15: Một cấu trúc khác của hệ thống điện mặt trời độc lập (có dự trữ)

Sau đây tác giả xin trình bày 02 thành phần chính của hệ thống: bộ biến đổi DC/DC và bộ nghịch lưu DC/AC Riêng các tấm pin quang điện tác giả đã trình bày trong mục 1.2

áp đầu vào Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một khóa chuyển mạch công suất (Transistor, Mosfet, IGBT - khóa S)) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý bộ Boost converter Nguyên lý hoạt động:

Khi khóa S đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây tích trữ năng lượng Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương

Khi khóa S mở, dòng điện bị giảm Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm) Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở Khi khóa mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng Khi khóa được đóng và phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa Khóa phải được mở đủ để chống lại tụ xả điện

Ở trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dòng điện cảm Còn khi trạng thái Off, khóa mở và dòng điện cảm chạy qua diode D, tụ C và tải R Kết quả chuyển năng lượng tích lũy trong trạng thái On vào tụ (hình 1.16) [13]

Hình 1.17: Sự biến thiên điện áp và dòng điện ứng với trạng thái On/Off của khóa S Khi bộ Boost converter hoạt động (ở chế độ liên tục), dòng chạy qua cuộn dây (IL) không bao giờ bằng không (0)

Trong suốt trạng thái On, khóa S đóng, khiến điện áp đầu vào VS đặt lên cuộn dây, tạo ra thay đổi dòng IL xuyên qua cuộn dây trong một chu kỳ bởi công thức:

Trong trạng thái Off, khóa S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải Nếu không có điện áp rơi trên diode, và điện tích trên tụ đủ lớn cho giá trị không đổi, dòng IL tiến triển như sau:

phần lớn năng lượng được lưu trữ trong mỗi thành phần của nó giống như lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ Ngoại trừ năng lượng lưu trong cuộn dây:

1.3.2 Bộ nghịch lưu DC-AC

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều

Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn

áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp Bộ nghịch lưu dòng là bộ nghịch lưu

có nguồn một chiều cung cấp là nguồn dòng và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng Trên thực tế nguồn một chiều là nguồn áp và đối tượng nghiên cứu là

bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp một chiều có thể là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều được chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều có lọc phẳng… Các tải xoay chiều thường mang tính chất cảm kháng (động cơ xoay chiều, lò cảm ứng…), dòng điện qua các linh kiện không thể đóng ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, linh kiện trong bộ nghịch lưu áp phải có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó Trong các ứng dụng với công suất nhỏ và vừa thì có thể sử dụng transitor BJT, MOSFET, IGBT Trong phạm vi công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch Với tải tổng quát, mỗi linh kiện còn mắc thêm một diode đối song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt linh kiện

Hệ điều khiển nghịch lưu dùng để tạo ra các xung điều khiển đóng mở các van động lực theo những luật mong muốn Các luật điều khiển chủ yếu tập trung vào các vấn đề điều chỉnh điện áp, tần số và đảm bảo chất lượng áp của nghịch lưu Việc phân tích nguyên lý hoạt động và điều khiển bộ nghịch lưu áp sẽ được tác giả trình bày trong chương 2 của luận văn

1.4 Tổng quan về hệ thống điện mặt trời nối lưới

Một nhược điểm của công nghệ điện mặt trời độc lập thường là phải dùng bộ

ắc quy vừa đắt tiền, vừa phải chăm sóc thường xuyên và đặc biệt là gây ô nhiễm môi trường Đồng thời các bộ ắc quy cũng chỉ tích được một lượng điện năng có hạn, còn với các dàn pin mặt trời hàng chục hay hàng trăm kW thì sử dụng ắc quy tích điện là một vấn đề khó khăn rất lớn, thậm chí là không thể

Đối với các ứng dụng quy mô lớn, như ở các nước phát triển hiện nay, người

ta thường sử dụng công nghệ điện mặt trời nối lưới Với công nghệ này, điện từ dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng xoay chiều có hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp Khi sử dụng điện người ta lại lấy điện từ lưới Lưới điện có vai trò như một “ngân hàng”, tích trữ điện năng lúc dàn pin mặt trời phát điện và cung cấp trở lại người tiêu dùng khi cần thiết Nhờ ngân hàng điện này mà việc sử dụng luôn ổn định và rất tiết kiệm điện

1.4.1 Lý thuyết chung về hòa đồng nguồn điện

Hòa đồng bộ là một trong các điều kiện để nguồn điện (từ máy phát điện, pin mặt trời, …) có thể hoạt động ở chế độ làm việc song song với lưới điện hoặc nguồn điện khác

Các nguồn điện khi hoạt động ở chế độ làm việc song song với lưới điện hoặc một nguồn điện khác điện luôn đòi hỏi một số điều kiện Một trong các điều kiện đó

là các máy phải hoạt động đồng bộ với nhau

Các điều kiện hòa đồng bộ bao gồm:

 Điều kiện về tần số: 2 nguồn hoặc giữa nguồn và lưới điện phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số máy phải bằng tần số lưới

 Điều kiện về điện áp: 2 nguồn hoặc giữa nguồn và lưới điện phải cùng điện

áp với nhau, hoặc điện áp máy phải bằng điện áp lưới

 Điều kiện về pha: 2 nguồn hoặc giữa nguồn và lưới điện phải cùng thứ tự pha, và 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 2 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 2 tần số bằng nhau, thì mãi mãi chẳng thể điều chỉnh được góc pha Trong thực tế là:

 Điều kiện về tần số:

Tần số của 2 máy xấp xỉ bằng nhau Sai biệt nằm trong khoảng ∆f cho phép

∆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 >0 một chút, nghĩa là tần số máy cao hơn tần số lưới một chút Như vậy khi hòa vào lưới, máy phát sẽ bị tần số lưới ghì lại, nghĩa là máy phát sẽ phát một công suất be bé ra lưới ngay thời điểm đóng máy cắt

 Điều kiện về điện áp

Người ta cũng cho phép điện áp có sai biệt chút ít so với điện áp lưới Và thường người ta cũng chỉnh định sao cho điện áp nguồn bằng hoặc hơn U lưới một chút, để khi đóng điện thì công suất vô công của máy nhỉnh hơn 0 một chút Đối với điện áp thì có thể điều chỉnh cho điện áp nguồn bằng điện áp lưới chính xác mà không có vần đề gì

 Điều kiện về pha

Đây là điều kiện bắt buộc, và phải tuyệt đối chính xác Thứ tự pha, thường chỉ kiểm tra một lần đầu tiên khi lắp đặt máy Từ đó về sau, không ai kiểm lại làm gì, ngoại trừ nếu có công tác gì đó phải tháo nhiều thứ ra và lắp lại

1.4.2 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp nối lưới hệ thống PV

Nghịch lưu áp nối lưới được thiết kế khác với nghịch lưu độc lập Điện áp đầu

ra của nghịch lưu áp nối lưới cần phải thỏa mãn một số điều kiện để chúng có thể hòa lưới và chuyển năng lượng vào lưới Các điều kiện đó là:

- Độ lớn và góc pha của điện áp đầu ra bộ nghịch lưu phải bằng độ lớn và góc pha của điện áp lưới;

- Tần số điện áp đầu ra bộ nghịch lưu phải bằng tần số điện áp lưới

Do đó người ta thường lấy mẫu điện áp lưới để làm tham chiếu cho thiết kế tín hiệu chuyển đổi

Mặt khác, tải của nghịch lưu nối lưới cũng khác với tải của bộ nghịch lưu độc lập: tải của bộ nghịch lưu nối lưới là lưới điện và có công suất lớn hơn rất nhiều so với công suất của bộ nghịch lưu [3] Công suất tác dụng và công suất phản kháng đi

từ bộ nghịch lưu vào lưới được thể hiện qua biểu thức (1.16) và (1.17) bên dưới:

sin

NL L t

U UP

1.4.3 Vòng lặp khóa pha PLL

Trong hệ thống điện mặt trời nối lưới, để pha và tần số của hệ thống điện mặt trời bám theo pha và tần số lưới điện, người ta có thể dùng vòng lặp khóa pha PLL (Phase Lock Loop)

PLL [3] thực chất là một hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồ tiếp dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha của tín hiệu vào PLL bao gồm: Khối dò pha (Phase Detector - PD), khối lọc thông thấp (Low Pass Filter - LPF), khối khuếch đại và mạch dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator - VCO) (hình 1.18) Trong một số mạch PLL thì khối VCO có thể được thay thế bằng khối CCO (Current controlled oscillator - khối tạo dao động được điều khiển bằng dòng)

Hình 1.18: Cấu trúc cơ bản của bộ PLL

- Khối PD: Khối này có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha (hiệu tần số) của hai tín hiệu vào, thường là tín hiệu hình Sin hoặc dãy xung chữ nhật hay nói cách khác là so sánh tần số fin và fout của VCO để cho ra điện thế DC tỉ

lệ thuận với độ sai pha giữa hai tần số Có hai cách dò pha: Dò pha tuyến tính: thường được thực hiện bởi mạch nhân tương tự, trong đó tín hiệu ra tỷ lệ với biên

độ tín hiệu vào; Dò pha phi tuyến (dò pha số): được thực hiện bởi các mạch số

EX-OR, R-S Flip Flop, … Trong đó, tín hiệu vào của nó là dãy xung chữ nhật, tín hiệu

ra không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào

- Khối lọc thông thấp: dùng để lấy tín hiệu tần số thấp, lấy ra điện thế DC Trong hệ thống PLL, người ta thường dùng các bộ lọc thấp qua bậc một để bảo đảm tính ổn định cho hệ thống

- Khối khuyếch đại để khuyếch đại tín hiệu trên đường truyền

- Khối VCO: Để phát ra tần số tỷ lệ với điện thế ngõ vào Đây là một khối quan trọng nhất trong PLL vì nó quyết định độ ổn định tần số, các đặc trưng giải điều chế tín hiệu, điều tần (FM)

Nguyên lý hoạt động của bộ PLL như sau:

Bộ PLL thực chất hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và ra là tần số và chúng được so sánh với nhau về pha Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai sót về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra, nghĩa là PLL là cho tần số ra fout của tín hiệu so sánh bám theo tần số vào fin

của tín hiệu vào Khi không có tín hiệu lối vào Vin, điện áp lối ra bộ khuếch đại Vout

= 0, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên fN (được cài đặt bởi điện trở và

tụ điện bên ngoài) Dò pha số bằng cổng EXOR Việc sử dụng cổng EXOR so pha

có hai điểm lợi là độ lợi toàn giải cao so với các cổng khác và xung ngõ ra có tần số gấp đôi bất chấp tần số ngõ vào

Dải bắt (capture range): Là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải lọt vào để PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (khoá) Nói cách khác đó là dải tần số mà PLL

có thể đạt được sự khoá pha khi việc khoá pha chưa thực hiện

Dải khoá (the lock range): Là khoảng tần số lân cận fN của VCO mà PLL đồng nhất được tần số fout với tần số fin Dải này còn được gọi là dải đồng chỉnh (Tracking range)

Hình 1.19: Mô hình hóa cấu trúc Vòng lặp khóa pha PLL

Hình 2.1: Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha 2 mức (a) và 1 pha cầu H (b)

Hình 2.1b là bộ nghịch lưu cầu 1 pha (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng cầu H) chứa 4 khóa công suất và 4 diode mắc đối song Trong hình 2.1a là bộ nghịch lưu 3 pha 2 mức được cấu thành từ 6 khóa công suất và 6 diode mắc đối song Các khóa công suất trên cùng một nhánh được kích dẫn theo nguyên tắc đối nghịch (tức không được phép cùng dẫn)

Xét bộ nghịch lưu 3 pha 2 mức trên hình 2.1a Điện áp nguồn (U) được phân chia làm hai nửa bằng nhau (U/2) với điểm nút phân thế O, gọi N là điểm nút của tải

ba pha Giả thiết tải ba pha đối xứng nối sao thỏa mãn:

UaN + UbN + UcN = 0 (2.1) Khi đó, điện áp các pha tải và dây trên tải được xác định lần lượt là:

Điện áp pha tải:

và Sa’ với pha a Bây giờ, nếu ta biểu diễn trạng thái kích dẫn của khóa là 1 và trạng thái ngắt là 0 thì phương trình biểu diễn trạng thái kích của các khóa trong các nhánh pha trên hình 2.1a như sau:

' 1

x x

S S  với x = a, b, c 2.6 Điện áp pha tâm nguồn của một pha sẽ có giá trị +u/2 hoặc –u/2 tùy thuộc khóa chuyển mạch Sx hay S’x được kích đóng Vì vậy, có thể tính được điện áp pha

- tâm nguồn, điện áp pha tải và điện áp dây của bộ nghịch lưu theo nguồn cung cấp

U và trạng thái kích của các khóa công suất

Bộ nghịch lưu được mô tả ở trên chứa 2 khóa công suất trên mỗi nhánh pha tải

và nó được gọi chung là bộ nghịch lưu áp 2 mức, được áp dụng rộng rãi trong phạm

vi công suất vừa và nhỏ Khái niệm hai mức này xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch DC (điểm O - pole to phase voltage) thay đổi giữa hai mức giá trị khác nhau Chẳng hạn, nếu ta chọn điểm có điện thế chuẩn là tâm nguồn DC thì điện áp từ pha tải đến tâm nguồn thay đổi giữa (+U/2) và (-U/2) trong quá trình đóng ngắt các khóa công suất

Nhược điểm của bộ nghịch lưu áp 2 mức đó là tạo điện áp cung cấp cho tải với

độ dốc (dv/dt) khá lớn và gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái khác không của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC (Common-mode voltage - điện áp UN0)

Để giải quyết những tồn tại trên của bộ nghịch lưu áp 2 mức thì các bộ nghịch lưu áp đa mức được ra đời Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa mức đó là công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên, điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống từ đó giảm công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện; với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm và nhỏ hơn so với trường

hợp bộ nghịch lưu áp hai mức Do đó, các bộ nghịch lưu đa mức đang ngày càng được nghiên cứu phát triển và trở nên phổ biến được áp dụng nhiều trong thực tế 2.1.2 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu diode kẹp

Bộ nghịch lưu áp đa mức kiểu điốt kẹp (Neutural Point Clamped Multilevel Inverter – NPC) sử dụng các điôt kẹp và các tụ điện DC mắc nối tầng để tạo ra điện

áp có nhiều mức Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tầng Điện áp pha - nguồn một chiều có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và

từ đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) mức

Xét bộ nghịch lưu áp n mức dạng chứa cặp diode kẹp (NPC) (hình 2.2) Gọi U

là độ lớn điện áp trong mỗi nguồn riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha - nguồn DC cần thiết lập, các linh kiện bị kẹp giữa các cặp diode nối đến một điện thế trên mạch

DC cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích đóng Điện áp pha – tâm nguồn DC tính từ điểm đấu dây của một pha tải đến một điện thế chuẩn trên mạch DC

2,3,…, (n-1)) Gọi N là điểm nút ba pha tải dạng sao đối xứng Khi đó điện áp tải các pha:

Điện áp pha tâm nguồn DC đạt được các giá trị cho trong bảng 2.1 (x = a,b,c): Bảng 2.1: Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu NPC 3 mức

Vout = Vxg S1x S2x S’1x S’2x

Udc/2 1 1 0 0

-Udc/2 0 0 1 1 Nhận xét: Bộ nghịch lưu NPC 3 mức có ba mức điện áp tồn tại tương ứng với

ba trạng thái đóng ngắt linh kiện cho mỗi pha, nên sẽ có 33 = 27 trạng thái đóng ngắt cho bộ nghịch lưu áp ba mức

 Bộ nghịch lưu 5 mức NPC

S 2a

S 2a'

Vout Udc

Udc

Hình 2.4: Pha A của bộ nghịch lưu áp NPC năm mức Xét pha A của bộ nghịch lưu áp năm mức NPC (hình 2.4) với Udc/4 là độ lớn điện áp trên mỗi tụ điện riêng lẻ Chọn điểm tâm (G) nguồn DC ở vị trí giữa, điện

áp pha – tâm nguồn DC đạt các giá trị như trong bảng 2.2