Đồ Án: Nghiên Cứu Biến Tần PV Ba Pha Nối Lưới - Đại Học Bách Khoa

Đồ án 1: Nghiên cứu biến tần PV bám điểm công suất cực đại, ba pha nối lưới. Tìm hiểu giải pháp hiệu quả cho hệ thống điện mặt trời.

• Tác giả: Lê Đào Quang Huy
• Người hướng dẫn: Ts. Phạm Minh Đức
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Biến Tần Pv Ba Pha Nối Lưới
• Loại tài liệu: Đồ án 1
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN PV 3 PHA NỐI LƯỚI
• 2.1. Giới thiệu chung về các hệ thống điện năng lượng mặt trời hiện nay
• 2.2. Các thành phần trong hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
• 3. CHƯƠNG 3: PIN PV HAY PIN QUANG ĐIỆN
• 3.1. Pin quang điện
• 3.2. Mô phỏng pin quang điện bằng phần mềm PLECS
• 3.3. Sơ đồ mạch mô phỏng pin quang điện
• 3.4. Kết quả mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC
• 4.1. Bộ biến đổi DC-DC
• 4.2. Thuật toán điều khiển MPPT
• 4.3. Thuật toán MPPT theo phương pháp P&O
• 4.4. Mô phỏng thuật toán MPPT bằng phần mềm PLECS
• 4.5. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-AC
• 5.1. Bộ chuyển đổi DC-AC
• 5.2. Mô phỏng bộ chuyển đổi DC-AC truyền thống bằng phần mềm PLECS
• 5.3. Sơ đồ mạch mô phỏng bộ chuyển đổi DC-AC truyền thống
• 5.4. Kết quả mô phỏng
• 5.5. Điều khiển điện áp ba pha vòng hở
• 6. CHƯƠNG 6: BỘ LỌC LCL
• 6.1. Bộ lọc LCL
• 6.2. Mô phỏng bộ lọc LCL bằng phần mềm PLECS
• 6.3. Sơ đồ mạch mô phỏng bộ lọc LCL
• 6.4. Kết quả mô phỏng
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PLECS
• 7.1. Sơ đồ mô phỏng của bộ biến tần PV ba pha nối lưới
• 7.2. Kết quả mô phỏng
• 8. CHƯƠNG 8: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BA PHA VÒNG HỞ
• 9. CHƯƠNG 9: PHẦN KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Biến Tần PV Ba Pha Nối Lưới Lợi Ích

Ngày nay, việc nghiên cứu và ứng dụng biến tần PV ba pha nối lưới ngày càng trở nên quan trọng. Nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu ở Việt Nam dựa vào nhiên liệu hóa thạch và nhập khẩu, trong khi nguồn tài nguyên này ngày càng cạn kiệt và giá cả biến động. Việc chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời, là một giải pháp bền vững. Việt Nam đã tham gia các cam kết quốc tế về phát triển bền vững, bao gồm mục tiêu tăng tỷ trọng năng lượng tái tạo trong tổng cung năng lượng. Nghiên cứu biến tần PV ba pha nối lưới trang bị kiến thức chuyên ngành cần thiết để tham gia vào các dự án điện mặt trời. Biến tần PV ba pha có nhiều ưu điểm và ứng dụng tiềm năng: kiểm soát tốc độ và công suất, tiết kiệm năng lượng, điều khiển và ổn định lưới điện, điều khiển đa biến, tích hợp hệ thống thông minh và IoT. Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh giai đoạn 2021-2030, tầm nhìn 2050 tại Quyết định số 1658QĐ-TTg ngày 01/10/2021, trong đó có giải pháp xây dựng các chính sách thúc đẩy chuyển dịch năng lượng theo hướng xanh, sạch, tăng tỷ trọng năng lượng tái tạo. Nghị quyết số 55-NQ/TW ngày 11/2/2020 của Bộ Chính trị nêu rõ, tỷ lệ nguồn năng lượng tái tạo trong tổng cung năng lượng sơ cấp đạt 15-20% năm 2030 và 25-30% năm 2045. Việt Nam đã xây dựng trên 100 trạm quan trắc dữ liệu năng lượng mặt trời và có 76 dự án điện mặt trời đang triển khai. Điện mặt trời chiếm khoảng 10% tổng sản lượng điện cả nước. Với những lý do trên, việc nghiên cứu đề tài Biến tần PV ba pha sẽ giúp sinh viên trang bị cho bản thân những kiến thức chuyên ngành cần thiết để có thể tham gia vào các dự án nghiên cứu có liên quan đến hệ thống điện mặt trời trong tương lai không xa.

1.1. Lý Do Nghiên Cứu Biến Tần Năng Lượng Mặt Trời Ba Pha

Việt Nam phụ thuộc lớn vào nhiên liệu hóa thạch, nguồn tài nguyên hữu hạn và biến động. Cam kết quốc tế về năng lượng sạch thúc đẩy chuyển đổi. Biến tần PV ba pha là then chốt trong tích hợp điện mặt trời. Ưu điểm: kiểm soát tốc độ, tiết kiệm năng lượng, ổn định lưới, điều khiển đa biến, tích hợp IoT. Chiến lược tăng trưởng xanh và Nghị quyết 55-NQ/TW đặt mục tiêu cao cho năng lượng tái tạo. Hiện nay, 76 dự án điện mặt trời đang triển khai, đóng góp 10% tổng sản lượng điện. Trang bị kiến thức về biến tần PV ba pha giúp tham gia dự án điện mặt trời.

1.2. Phương Pháp Nghiên Cứu Hệ Thống PV Nối Lưới Ba Pha Hiệu Quả

Nghiên cứu dựa trên phân tích các bài báo khoa học và sách kỹ thuật chuyên ngành. Phương pháp bao gồm phân tích thống kê, phân tích nội dung, và phân tích chuyên sâu. Tổng hợp kết quả phân tích để tạo cái nhìn tổng quan về đề tài. Quá trình tổng hợp bao gồm phân loại, phân nhóm, so sánh và viết báo cáo. Kết hợp xây dựng sơ đồ mô phỏng tương ứng với mỗi phần nội dung. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán lý thuyết để đối chiếu thực tế và lý thuyết. Phương pháp so sánh này giúp đối chiếu các kết quả lý thuyết với thực tế một cách chân thật nhất, thấy rõ điểm chung hay riêng từ đó có thể phân tích một cách chính xác, tổng quát nhất đối với đề tài nghiên cứu.

II. Giới Thiệu Biến Tần PV Ba Pha Nối Lưới Cấu Tạo Ứng Dụng

Hệ thống điện năng lượng mặt trời có tác dụng biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng điện năng phục vụ cho cuộc sống của con người. Trên thế giới, các hệ thống điện năng lượng mặt trời chia làm ba loại chính: On-grid (Nối lưới), Off-grid (Độc lập), và Hybrid (Hòa lưới có lưu trữ). Hệ thống điện mặt trời nối lưới (On-grid) là hệ thống điện mặt trời phổ biến nhất ở Việt Nam hiện nay. Hệ thống này có ưu điểm là chi phí đầu tư ban đầu thấp, vận hành đơn giản,… Cấu tạo của một hệ thống điện mặt trời nối lưới bao gồm: Pin quang điện (Pin PV), Bộ chuyển đổi DC-DC (DC-DC Converter), Bộ nghịch lưu DC-AC, và Bộ lọc LCL. Các tấm pin quang điện (Pin PV) có nhiệm vụ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này sẽ đi qua các bộ chuyển đổi DC- DC, DC-AC và tạo ra một dòng điện xoay chiều ở ngõ ra cung cấp năng lượng cho phụ tải còn phần năng lượng dư thừa sẽ được phát lên lưới điện nhằm thu lại lợi nhuận. Bộ lọc LCL thông thường được thiết lập ở giữa bộ biến đổi và lưới điện nhằm lọc bỏ các sóng hài không mong muốn có thể gây nhiễu làm giảm chất lượng điện năng của lưới điện.

2.1. Các Loại Hệ Thống Điện Mặt Trời Nối Lưới Ba Pha Hiện Nay

Hệ thống điện năng lượng mặt trời biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Có ba loại chính: On-grid (nối lưới), Off-grid (độc lập), Hybrid (hòa lưới có lưu trữ). Hệ thống On-grid phổ biến nhất, chi phí thấp, vận hành đơn giản. Hệ thống Off-grid cung cấp điện độc lập, chi phí cao, độ tin cậy thấp. Hệ thống Hybrid kết hợp cả hai, lưu trữ năng lượng dư thừa, cung cấp điện khi mặt trời lặn. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ là một hệ thống cung cấp điện ổn định, đáng tin cậy với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ chi phí của điện lưới thông thường.

2.2. Thành Phần Hệ Thống Điện Mặt Trời Nối Lưới Ba Pha Chi Tiết

Hệ thống điện mặt trời nối lưới (On-grid) phổ biến, chi phí đầu tư thấp, vận hành đơn giản. Cấu tạo: Pin quang điện (Pin PV) chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện DC. Bộ chuyển đổi DC-DC điều chỉnh điện áp DC. Bộ nghịch lưu DC-AC biến đổi DC thành AC để cấp cho tải và hòa lưới. Bộ lọc LCL lọc sóng hài, nâng cao chất lượng điện năng. Dòng điện từ pin PV qua bộ chuyển đổi DC-DC, DC-AC, tạo ra dòng AC cung cấp năng lượng cho phụ tải, phần dư thừa phát lên lưới.

III. Pin PV Quang Điện Mô Hình Đặc Tính Biến Tần PV

Đặc tính làm việc của các tấm pin PV được thể hiện qua hai thông số là điện áp và dòng điện. Theo đó, công suất đầu ra của tấm pin được tính theo công thức: P = U × I (W). Mạch tương đương chính xác của một tế bào quang điện được dùng để xây dựng được phương trình xác định dòng điện ngõ ra. Khi một tấm pin PV được nối trực tiếp với tải, công suất đầu ra sẽ là giao của đường đặc tính I-V của tấm PV với đường đặc tính I-V của tải. Thực tế, điểm làm việc hiếm khi ở đúng vị trí có công suất lớn nhất, dẫn đến hệ thống không đạt được hiệu suất lớn nhất. Sự không tương thích giữa tải và hệ thống PV sẽ dẫn đến lãng phí năng lượng. Do đó, bộ điều khiển dò điểm công suất cực đại (MPPT) ra đời nhằm giải quyết vấn đề trên. Thuật toán duy trì điểm làm việc của hệ thống tại điểm có công suất lớn nhất (MPP). Hiệu suất của thuật toán có thể đạt đến 99% theo tính toán lý thuyết.

3.1. Đặc Tính Thông Số Quan Trọng Của Pin Điện Mặt Trời Ba Pha

Pin PV hoạt động dựa trên điện áp và dòng điện. Công suất đầu ra: P = U × I (W). Mạch tương đương xác định dòng điện ngõ ra. Đường đặc tính I-V thể hiện quan hệ giữa dòng điện và điện áp. Điểm làm việc thường không ở công suất lớn nhất, gây lãng phí năng lượng. Bộ điều khiển MPPT (Maximum Power Point Tracking) duy trì điểm làm việc tại công suất cực đại (MPP), hiệu suất có thể đạt 99%.

3.2. Mô Phỏng Pin Năng Lượng Mặt Trời Ba Pha Trên Phần Mềm PLECS

Sử dụng phần mềm PLECS để mô phỏng tính chất, đặc tính và cách hoạt động của hệ thống pin mặt trời. Xây dựng sơ đồ mạch mô phỏng cho các trường hợp tải khác nhau (10Ω, 100Ω, 1000Ω, 10000Ω, biến trở). Quan sát sự thay đổi điện áp và công suất theo giá trị điện trở. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi của điện áp và công suất theo giá trị điện trở. Khi tăng điện trở, điện áp tăng dần về điện áp hở mạch. Công suất tăng đến cực đại rồi giảm dần, phù hợp với đường cong đặc tính P-V.

3.3. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Pin Quang Điện Ba Pha Với Tải

Kết quả mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của giá trị điện trở tải đến điện áp và công suất của pin PV. Điện áp tăng khi tăng điện trở, tiến dần đến điện áp hở mạch. Công suất tăng đến cực đại ở một giá trị điện trở nhất định, sau đó giảm dần. Kết quả này phù hợp với đồ thị đặc tuyến P-V. Mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của pin PV và ảnh hưởng của tải.

IV. Bộ Chuyển Đổi DC DC Cách Điều Khiển Biến Tần PV 3 Pha

Bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để điều khiển trị trung bình điện áp một chiều ở ngõ ra từ một nguồn điện áp một chiều không đổi. Điện áp trên tải có dạng xung tạo thành từ quá trình đóng ngắt liên tục nguồn điện áp một chiều không thay đổi vào tải. Do đó, bộ biến đổi này còn gọi là bộ biến đổi điện áp một chiều dạng xung. Bộ biến đổi điện áp một chiều gồm các loại sau: Bộ giảm áp (Buck Converter), Bộ tăng áp (Boost Converter), Bộ đảo dấu điện áp (Buck-Boost Converter). Việc lựa chọn bộ biến đổi một chiều nào còn phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng hệ thống điện năng lượng mặt trời. Mỗi pin quang điện đều chung một dạng đường đặc tính P-V và trên đường đặc tuyến đó ta có thể dễ dàng thấy được mỗi pin quang điện đều sẽ có một điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) - tại điểm đó điện áp và dòng điện cho giá trị công suất ngõ ra là lớn nhất. Trong thực tế, pin quang điện không phải lúc nào cũng làm việc ở điểm công suất cực đại bởi vì điện áp tạo ra bởi các tấm pin quang điện còn chịu ảnh hưởng từ cường độ ánh sáng mặt trời cùng với nhiệt độ của môi trường.

4.1. Các Loại Bộ Biến Đổi DC DC Cho Hệ Thống PV Ba Pha

Bộ biến đổi DC-DC điều khiển điện áp DC ngõ ra từ nguồn DC không đổi. Hoạt động dựa trên đóng ngắt liên tục. Các loại: Bộ giảm áp (Buck), Bộ tăng áp (Boost), Bộ đảo dấu (Buck-Boost). Lựa chọn tùy thuộc yêu cầu hệ thống điện mặt trời.

4.2. Thuật Toán MPPT Trong Biến Tần PV 3 Pha Phương Pháp P O

Pin PV có điểm công suất cực đại (MPP) trên đường đặc tính P-V. Điện áp pin PV bị ảnh hưởng bởi ánh sáng và nhiệt độ. Thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) đảm bảo pin PV luôn hoạt động gần điểm MPP. Phương pháp P&O (Perturb and Observe) đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp. P&O đánh giá sự thay đổi P-V, điều chỉnh duty cycle để đạt MPP. Hạn chế: dao động quanh MPP, khắc phục bằng giảm tần số lấy mẫu. Tuy nhiên, ứng biến chậm khi thời tiết thay đổi.

4.3. Mô Phỏng MPPT Bằng PLECS Tối Ưu Hiệu Suất Biến Tần

Mục tiêu MPPT: thay đổi duty cycle để điện áp gần MPP. Mô phỏng hệ thống nguồn PV, tải, Boost Converter, máy tạo xung (duty-cycle). Kết quả mô phỏng: điều chỉnh duty-cycle để đạt MPP tùy thuộc vào giá trị điện trở tải. Với tải biến trở, cần thay đổi duty-cycle liên tục để duy trì MPP.

V. Bộ Chuyển Đổi DC AC Biến Đổi Điện Áp Cho Biến Tần 3 Pha

Bộ chuyển đổi DC-AC hay 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 có hai dạng mạch là dạng mạch cầu và dạng mạch tia nhưng trong thực tế bộ nghịch lưu áp ba pha chỉ gặp ở dạng mạch cầu. Các linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện đi qua nó - đóng vai trò như một công tắc. Trong các ứng dụng công suất nhỏ và vừa, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Ngoài ra, mỗi công tắc trong bộ nghịch lưu còn được trang bị thêm một diode mắc đối song với nó. Các diode này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược lại với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ nghịch lưu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc.

5.1. Mạch Cấu Tạo Nguyên Lý Bộ Đảo Điện DC AC 3 Pha

Bộ chuyển đổi DC-AC (nghịch lưu) biến đổi điện DC thành điện AC để cấp cho tải AC. Mạch nghịch lưu áp ba pha thường dùng dạng mạch cầu. Linh kiện có khả năng đóng ngắt dòng điện, hoạt động như công tắc. Thường dùng transistor BJT, MOSFET, IGBT hoặc SCR. Mỗi công tắc có diode mắc đối song, tạo mạch chỉnh lưu cầu, hạn chế quá điện áp.

5.2. Mô Phỏng Bộ Chuyển Đổi DC AC Truyền Thống Bằng PLECS

Sử dụng PLECS để mô phỏng bộ chuyển đổi DC-AC truyền thống. Sử dụng khối tạo xung và so sánh để điều khiển đóng ngắt các khóa S1-S6. Các cặp khóa trên cùng chân đóng ngắt đối nhau. Tín hiệu xung điều khiển vào các khóa cùng chân có pha ngược nhau. Kết quả: So sánh điện áp dây AB và BC, thấy cùng biên độ và lệch pha. So sánh điện áp AB với điện áp dây tương ứng của nguồn AC ba pha. Đồ thị tần số cho thấy sóng hài gây nhiễu.

5.3. Điều Chế Độ Rộng Xung PWM Cho Biến Tần PV 3 Pha

Sóng điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi DC-AC chưa mịn, còn sóng hài. Có nhiều phương pháp PWM: Sine PWM, Space Vector PWM, Hysteresis. Sine PWM so sánh điện áp tham chiếu Sine (Vref) với sóng mang tam giác (Vtri). Trạng thái chuyển mạch xác định theo quy tắc: Vref > Vtri: tín hiệu cao, Vref < Vtri: tín hiệu thấp. Tần số sóng mang cao hơn nhiều tần số cơ bản. Điện áp ngõ ra cơ bản tuyến tính với điện áp tham chiếu Vref. Dạng sóng điều biến là sóng tham chiếu điện áp. Sóng mang thường là sóng tam giác.

VI. Bộ Lọc LCL Lọc Sóng Hài Cho Biến Tần PV 3 Pha Nối Lưới

Trong khi các nỗ lực nghiên cứu đã đạt được dòng và áp của bộ nghịch lưu ba pha phát vào lưới có dạng sin lý tưởng thì một vấn đề mới nảy sinh là các tác động nhiễu từ lưới mà điển hình là sóng hài cao lại có ảnh hưởng mạnh đến điều khiển của bộ chuyển đổi và làm giảm chất lượng điện năng. Bộ lọc LCL thông thường được thiết lập tại ngõ ra của bộ chuyển đổi đổi và nằm trước điểm kết nối với lưới để có thể lọc bỏ các sóng hài nhưng có nhược điểm là có thể gây cộng hưởng tần số, phá vỡ liên hệ kết nối. Với mỗi yêu cầu về điện áp và tần số khác nhau, việc tính toán cảm kháng của cuộn dây và điện dung của tụ điện là rất quan trọng nhằm thiết kế một bộ lọc LCL phù hợp với nhu cầu của người sử dụng.

6.1. Tác Dụng Nhược Điểm Của Bộ Lọc LCL Trong Hệ Thống PV

Bộ lọc LCL giảm sóng hài, cải thiện chất lượng điện năng. Vấn đề: nhiễu từ lưới, sóng hài cao ảnh hưởng đến điều khiển. Lọc LCL đặt ở ngõ ra bộ chuyển đổi, trước điểm nối lưới. Nhược điểm: cộng hưởng tần số, phá vỡ kết nối. Tính toán cảm kháng và điện dung quan trọng để thiết kế phù hợp.

6.2. Tính Toán Thiết Kế Bộ Lọc LCL Cho Biến Tần Nối Lưới

Xây dựng hàm truyền giữa dòng điện lưới và điện áp biến tần. Xác định tần số cộng hưởng dựa trên tốc độ góc cộng hưởng. Các bước thiết kế: chọn tần số chuyển mạch, chọn tần số cộng hưởng (bằng tần số chuyển mạch chia 10), xác định điện dung tụ điện (công suất phản kháng bằng 5% công suất định mức).

6.3. Mô Phỏng Bộ Lọc LCL Bằng PLECS Kiểm Chứng Thiết Kế

Xây dựng sơ đồ mạch mô phỏng bộ lọc LCL trên PLECS. Mô phỏng hệ thống biến tần ba pha với bộ lọc LCL. So sánh điện áp và dòng điện ngõ ra (nối lưới) với khi không có bộ lọc LCL. Kết quả: Sóng điện áp ngõ ra gần sóng Sine hơn khi có bộ lọc LCL. Nên thiết kế bộ lọc để nâng cao chất lượng điện năng.

VII. Mô Phỏng Tổng Thể Hệ Thống Biến Tần PV Ba Pha Nối Lưới

Tiến hành xây dựng một hệ thống điện như hình 51 bao gồm một hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp điện áp một chiều ngõ ra ổn định ở mức điện áp 700 (V), một bô biến tần bậc ba giúp cải thiện dạng sóng ngõ ra so với bộ biến tần bậc hai, và một bộ lọc LCL được kết nối với hệ thống lưới điện hạ thế 230 (V) có tần số 50 (Hz). Cấu trúc liên kết được sử dụng là bộ chuyển đổi kẹp điểm trung tính (Neutral-Point-Clamped Converter - NPC) kết hợp với một bộ tăng áp giúp tăng điện áp từ các tấm pin năng lượng đến tụ điện DC-link (từ ~700 V đến 800 V). Một bộ lọc ngõ ra loại LCL được sử dụng để làm phẳng các gợn sóng được tạo ra trong quá trình điều chế xung của biến tần.

7.1. Cấu Trúc Thành Phần Hệ Thống Mô Phỏng Biến Tần PV 3 Pha

Hệ thống bao gồm: Pin mặt trời (700V DC), biến tần bậc ba (cải thiện dạng sóng), bộ lọc LCL, lưới điện hạ thế (230V, 50Hz). Sử dụng bộ chuyển đổi kẹp điểm trung tính (NPC) và bộ tăng áp (700V -> 800V DC-link). Bộ lọc LCL làm phẳng gợn sóng.

7.2. Biến Tần Kẹp Điểm Trung Tính NPC Ưu Điểm Ứng Dụng

Biến tần NPC là loại biến đổi nguồn đa bậc. Sử dụng diode kẹp để chia sẻ điện áp. Hiệu suất cao, không quá phức tạp. Cung cấp dạng sóng chất lượng cao, giảm yêu cầu bộ lọc. Thường dùng trong thiết bị điện áp trung bình. Cấu trúc bậc ba phổ biến nhất.

7.3. Điều Khiển DC DC DC AC Trong Hệ Thống PV Nối Lưới

Điều khiển DC-DC: ba vòng (MPP, điện áp, dòng điện). MPP đảm bảo công suất cao nhất. Vòng điện áp điều chỉnh điện áp pin PV đến mức tối ưu. Vòng dòng điện thiết lập chỉ số điều khiển IGBT. Điều khiển DC-AC: điều chỉnh dòng điện vào lưới, duy trì điện áp DC-link (800V). Cấu trúc hai vòng (điện áp, dòng điện). Vòng điện áp cung cấp tín hiệu tham chiếu cho điều khiển dòng điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan ﹣ Chương 2: Giới thiệu về biến tần PV ba pha nối lưới. ﹣ Chương 3: Pin PV hay pin quang điện ﹣ Chương 4: Bộ chuyển đổi DC-DC ﹣ Chương 5: Bộ chuyển đổi DC-AC ﹣ Chương 6: Bộ lọc LCL ﹣ Chương 7: Kết quả mô phỏng trên PLECS 3 Đồ án 1 GVHD: TS. Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy ﹣ Chương 8: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển điện áp ba pha vòng hở ﹣ Chương 9: Phần kết luận 4 Đồ án 1 GVHD: TS. Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN PV 3 PHA NỐI LƯỚI 2.1 Giới thiệu chung về các hệ thống điện năng lượng mặt trời hiện nay Hệ thống điện năng lượng mặt trời có tác dụng biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng điện năng phục vụ cho cuộc sống của con người.

Trên thế giới, các hệ thống điện năng lượng mặt trời chia làm ba loại chính1: ﹣ On-grid (Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới): hệ thống này bao gồm bộ biến đổi DC-DC, bộ biến đổi DC-AC hệ thống cung cấp cho các phụ tải sử dụng trong các gia đình và phần năng lượng dư thừa có thể bán lại cho công ty điện lực. ﹣ Off-grid (Hệ thống điện mặt trời độc lập): hệ thống này cung cấp điện năng cho các phụ tải mà không phụ thuộc vào lưới điện. Nhược điểm của hệ thống này là chi phí đầu tư ban đầu khá cao so với hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới và độ tin cậy cung cấp điện không cao. ﹣ Hybrid (Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ): hệ thống này là sự kết hợp của hai hệ thống trên.

Hệ thống này sẽ cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng trong gia đình, phần dư sẽ được lưu trữ trong pin (hoặc ắc-quy), phần điện năng lượng không được lưu trữ có thể bán lại cho công ty điện lực. Khi mặt trời lặn, ngôi nhà hoặc cơ sở kinh doanh sẽ sử dụng điện được lưu trữ trong hệ thống pin (ắc quy) làm nguồn điện thay vì lấy từ lưới điện. Nếu các thiết bị trong gia đình lúc này tiêu thụ nhiều điện hơn (vượt mức) lượng được dự trữ trong pin, hệ thống vẫn có thể lấy điện từ lưới điện để tiếp tục cung cấp cho phụ tải. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ là một hệ thống cung cấp điện ổn định, đáng tin cậy với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ chi phí của điện lưới thông thường.2 Các thành phần trong hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới Hệ thống điện mặt trời nối lưới (On-grid) có thể xem là hệ thống điện mặt trời phổ biến nhất ở Việt Nam hiện nay.

Hệ thống này có ưu điểm là chi phí đầu tư ban đầu thấp, vận hành đơn giản,… Cấu tạo của một hệ thống điện mặt trời nối lưới như sau: 1 Hệ thống điện mặt trời là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động truy cập từ: https://sunemit.com/he-thong- dien-nang-luong-mat-troi-la-gi/#:~:text=cho%20con%20ng%C6%B0%E1%BB%9Di.- ,C%E1%BA%A5u%20t%E1%BA%A1o%20c%E1%BB%A7a%20h%E1%BB%87%20th%E1%BB%91ng %20%C4%91i%E1%BB%87n%20m%E1%BA%B7t%20tr%E1%BB%9Di,th%E1%BB%91ng%20%E1%B A%AFc%20quy%20l%C6%B0u%20tr%E1%BB%AF. Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy Hình 1. Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới Hình 2. Sơ đồ khối của hệ thống biến tần PV ba pha nối lưới Các tấm pin quang điện (Pin PV) có nhiệm vụ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều (DC).

Dòng điện này sẽ đi qua các bộ chuyển đổi DC- DC, DC-AC và tạo ra một dòng điện xoay chiều ở ngõ ra cung cấp năng lượng cho phụ tải còn phần năng lượng dư thừa sẽ được phát lên lưới điện nhằm thu lại lợi nhuận. ﹣ Pin quang điện (Pin PV) là thiết bị có thể chuyển hóa năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng điện. Pin PV có ưu điểm nhỏ gọn nên có thể lắp đặt linh hoạt tại nhiều vị trí miễn nơi đó là nơi có thể nhận được nhiều ánh sáng mặt trời nhất. Hệ thống điện năng lượng mặt trời có thể dễ dàng tùy chỉnh công suất phát ra bằng cách kết nối thêm hoặc bỏ bớt các tấm pin quang điện.

Ngày nay, người ra đã và đang áp dụng pin PV trong việc chuyển hóa quang năng thành điện năng để sử 6 Đồ án 1 GVHD: TS. Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy dụng cho nhiều lĩnh vực như sinh hoạt, sản xuất, giao thông vận tải, và hàng không vũ trụ,… và dần dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống khác. ﹣ Bộ chuyển đổi DC-DC (bộ chuyển đổi điện áp một chiều DC-DC) là mạch điện tử hoặc thiết bị cơ điện dùng để chuyển đổi nguồn dòng điện một chiều (DC) từ mức điện áp này sang mức điện áp khác. Thiết bị này hoạt động với cơ chế lưu trữ tạm thời năng lượng đầu vào và sau đó giải phóng năng lượng đó cho đầu ra ở một điện áp khác.

Mức công suất của bộ biến đổi DC-DC từ rất thấp (pin nhỏ) đến rất cao (truyền tải điện cao áp). ﹣ Bộ nghịch lưu DC-AC là một mạch điện hay thiết bị điện tử công suất có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC). Tần số của dòng xoay chiều thu được sẽ phụ thuộc vào loại thiết bị được sử dụng. ﹣ Bộ lọc LCL thông thường được thiết lập ở giữa bộ biến đổi và lưới điện nhằm lọc bỏ các sóng hài không mong muốn có thể gây nhiễu làm giảm chất lượng điện năng của lưới điện.

Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy CHƯƠNG 3: PIN PV HAY PIN QUANG ĐIỆN 3. Pin quang điện Hình 3. Sơ đồ khối của hệ thống biến tần PV ba pha nối lưới Đặc tính làm việc của các tấm pin PV được thể hiện qua hai thông số là điện áp và dòng điện. Theo đó, công suất đầu ra của tấm pin được tính theo công thức2: P = U × I (W) (1) Mạch tương đương chính xác của một tế bào quang điện: Hình 4.

Sơ đồ mạch tương đương chính xác của pin quang điện Thông qua sơ đồ mạch tương đương như hình 4 có thể xây dựng được phương trình xác định dòng điện ngõ ra như sau: q(V+RS I) � + �� � I = ISC − I0 (e kT − 1) − (2) ��� Đặc tính làm việc được thể hiện qua đường cong I-V như sau: 2 Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodríguez (2011), GRID CONVERTERS FOR PHOTOVOLTAIC AND WIND POWER SYSTEMS. Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy Hình 5. Đồ thị đường cong đặc tính I-V của pin quang điện Hình 6. Đồ thị đường cong đặc tính P-V của pin quang điện Khi một tấm pin PV được nối trực tiếp với tải, công suất đầu ra sẽ là giao của đường đặc tính I-V của tấm PV với đường đặc tính I-V của tải.

Thực tế, điểm làm việc hiếm khi ở đúng vị trí có công suất lớn nhất, dẫn đến hệ thống không đạt được hiệu suất lớn nhất. Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy Sự không tương thích giữa tải và hệ thống PV sẽ dẫn đến lãng phí năng lượng. Do đó, bộ điều khiển dò điểm công suất cực đại (MPPT) ra đời nhằm giải quyết vấn đề trên. Thuật toán duy trì điểm làm việc của hệ thống tại điểm có công suất lớn nhất (MPP).

Hiệu suất của thuật toán có thể đạt đến 99% theo tính toán lý thuyết. Mô phỏng pin quang điện bằng phần mềm PLECS a. Sơ đồ mạch mô phỏng pin quang điện Hình 7. Sơ đồ mạch mô phỏng pin quang điện sử dụng phần mềm PLECS Sơ đồ mạch trong hình 7 được xây dựng bằng phần mềm PLECS nhằm mô phỏng các tính chất, đặc tính và cách hoạt động của một hệ thống được tạo thành bởi các chuỗi pin năng lượng mặt trời nhằm thu được các kết quả gần với thực tế nhất.

Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy ﹣ Sơ đồ trong hình 8 mô phỏng cho trường hợp nguồn PV được kết nối với điện trở 10Ω được xây dựng bằng phần mềm PLECS. Sơ đồ trường hợp nguồn PV nối với điện trở 10Ω ﹣ Sơ đồ trong hình 9 mô phỏng cho trường hợp nguồn PV được kết nối với điện trở 100Ω được xây dựng bằng phần mềm PLECS. Sơ đồ trường hợp nguồn PV nối với điện trở 100Ω 11 Đồ án 1 GVHD: TS. Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy ﹣ Sơ đồ trong hình 10 mô phỏng cho trường hợp nguồn PV được kết nối với điện trở 1000Ω được xây dựng bằng phần mềm PLECS.

Sơ đồ trường hợp nguồn PV nối với điện trở 1000Ω ﹣ Sơ đồ trong hình 11 mô phỏng cho trường hợp nguồn PV được kết nối với điện trở 10000Ω được xây dựng bằng phần mềm PLECS. Sơ đồ trường hợp nguồn PV nối với điện trở 10000Ω 12 Đồ án 1 GVHD: TS. Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy ﹣ Sơ đồ của trường hợp nguồn PV được kết nối với biến trở được xây dựng bằng phần mềm PLECS. Sơ đồ trường hợp nguồn PV nối với biến trở b.

Kết quả mô phỏng Sau khi thực hiện mô phỏng ta sẽ thu được kết quả tương ứng cho từng trường hợp như sau: Hình 13. Kết quả mô phỏng trường hợp Hình 14. Kết quả mô phỏng trường hợp nguồn nguồn PV nối với điện trở 10Ω PV nối với điện trở 100Ω 13 Đồ án 1 GVHD: TS. Phạm Minh Đức Nghiên cứu hệ thống PV ba pha nối lưới SVTH: Lê Đào Quang Huy Hình 15.

Kết quả mô phỏng trường hợp nguồn Hình 16. Kết quả mô phỏng trường hợp nguồn PV nối với điện trở 1000Ω PV nối với điện trở 10000Ω Hình 17. Kết quả mô phỏng trường hợp nguồn PV nối với biến trở Với các kết quả thu được, ta có thể dễ dàng thấy được cùng với sự thay đổi giá trị của điện trở nối vào nguồn PV là sự thay đổi của điện áp và công suất của nguồn PV cung cấp cho phụ tải. Khi ta tăng giá trị của điện trở thì điện áp mà nguồn đặt lên phụ tải cũng tăng lên theo và tiến dần về mức điện áp cao nhất (hay điện áp hở mạch).