Luận văn thạc sĩ về bộ nghịch lưu một pha nối lưới trong kỹ thuật điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện nghiên cứu bộ nghịch lưu một pha nối lưới, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: Nguyễn Đình Tuyên
• Trường học: Đại Học Quốc Gia TP. HCM Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Bộ Nghịch Lưu Một Pha Nối Lưới Trong Kỹ Thuật Điện
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ nghịch lưu một pha nối lưới

Bộ nghịch lưu một pha nối lưới là một thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng. Hệ thống này cho phép năng lượng tái tạo được hòa vào lưới điện, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ. Đặc biệt, việc nghiên cứu và phát triển bộ nghịch lưu một pha không chỉ giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng mà còn nâng cao khả năng tích hợp với các hệ thống năng lượng khác. Theo đó, bộ nghịch lưu một pha cần phải đạt được các tiêu chí như hiệu suất cao, độ tin cậy và khả năng điều khiển linh hoạt để đáp ứng nhu cầu của lưới điện. Việc nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu một pha bao gồm các thành phần chính như bộ biến đổi DC-DC, bộ điều khiển MPPT, và bộ nghịch lưu DC-AC. Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu dựa trên việc chuyển đổi điện áp một chiều từ pin mặt trời thành điện áp xoay chiều, đồng thời điều chỉnh điện áp và dòng điện để phù hợp với lưới điện. Việc sử dụng công nghệ điều khiển như thuật toán MPPT giúp tối ưu hóa công suất thu được từ hệ thống pin mặt trời, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống. Hệ thống này cũng cần phải có khả năng bảo vệ khi có sự cố xảy ra, đảm bảo an toàn cho cả thiết bị và người sử dụng.

1.2. Tính toán và mô phỏng

Trong quá trình nghiên cứu, việc tính toán và mô phỏng bộ nghịch lưu là rất quan trọng để đánh giá hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống. Sử dụng phần mềm mô phỏng như PSIM cho phép các nhà nghiên cứu xây dựng các mô hình chi tiết về hoạt động của bộ nghịch lưu. Các mô phỏng này giúp phân tích các đặc tính điện áp, dòng điện, và công suất trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra những cải tiến cần thiết cho thiết kế. Kết quả mô phỏng cũng cung cấp dữ liệu quý giá để tối ưu hóa các tham số kỹ thuật, đảm bảo rằng bộ nghịch lưu hoạt động hiệu quả và ổn định trong thực tế.

1.3. Ứng dụng thực tiễn

Bộ nghịch lưu một pha nối lưới có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống năng lượng mặt trời, từ các hộ gia đình đến các nhà máy điện lớn. Việc tích hợp bộ nghịch lưu vào hệ thống điện giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo, giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng cường độ ổn định cho lưới điện. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ, bộ nghịch lưu ngày càng được cải tiến về mặt hiệu suất và độ tin cậy, giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về năng lượng sạch và bền vững. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường, thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành năng lượng.

II. Kết luận

Nghiên cứu bộ nghịch lưu một pha nối lưới trong kỹ thuật điện không chỉ có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế và điều khiển bộ nghịch lưu có thể mang lại hiệu suất cao hơn, giảm thiểu tổn thất năng lượng và đảm bảo sự ổn định cho lưới điện. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng công nghệ này trong thực tế, thúc đẩy việc sử dụng năng lượng tái tạo trong đời sống hàng ngày. Hơn nữa, việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực này sẽ đóng góp vào việc xây dựng một hệ thống năng lượng bền vững trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGUYỄN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƢU MỘT PHA NỐI LƢỚI (STUDY ON SINGLE-PHASE INVERTER GRID-CONNECTED) Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2020 LỜI CẢM ƠN Không có sự thành công nào mà phía sau đó không có những nỗ lực và cố gắng. Có thể nói luận văn tốt nghiệp này là kết quả mà chúng em đạt được sau những ngày nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.

Đó không chỉ là sản phẩm của quá trình học tập và tìm hiểu của mỗi sinh viên mà còn là sự giúp đỡ hậu phương từ phía gia đình, thầy cô và bạn bè. Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy/ Cô và ban chủ nhiệm khoa Điện - Điện tử trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tụy giảng dạy và truyền đạt những kiến thức cho sinh viên trong nhiều năm qua. Tiếp theo chúng em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc đến thầy Nguyễn Đình Tuyên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và nhắc nhở em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Em cũng không quên cảm ơn chân thành đến các anh ở phòng thí nghiệm điện tử công suất đã nhiệt tình giúp đỡ, giải đáp thắc mắc và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn trong suốt thời gian qua.

Em xin chân thành cảm ơn! TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019 Học viên Nguyễn Thanh Tùng TÓM TẮT ĐỀ TÀI Nhu cầu về năng lượng trong thời đại khoa học kỹ thuật không ngừng gia tăng. Tuy nhiên các nguồn năng lượng truyền thống đang được khai thác như: than đá, dầu mỏ, khí đốt, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện… đang ngày càng cạn kiệt. Không những thế chúng còn có tác hại xấu với môi trường như: gây ra ô nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, trái đất ấm dần lên, thủng tầng ozon… Do đó việc tìm ra và khai thác nguồn năng lượng mới như: năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời… là rất cần thiết. Việc nghiên cứu năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhất là trong tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng nguồn năng lượng như hiện nay.

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, dồi dào, hoàn toàn miễn phí, không gây ra ô nhiễm môi trường và ô nhiễm tiếng ồn… Hiện nay năng lượng mặt trời đang dần dần đi vào cuộc sống con người, chúng được áp dụng khá rộng rãi trong dân dụng và trong công nghiệp dưới nhiều hình thức khác nhau. Pin mặt trời có rất nhiều ưu điểm ưu việt nhưng giá thành của tấm pin mặt trời còn đắt nên việc nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của pin trở thành một vấn đề rất quan trọng. Để tăng hiệu suất và tuổi thọ của pin thì cần phải có một hệ thống pin mặt trời hoạt động ổn định. Do đó chúng em chọn đề tài: “ Bộ ngịch lưu một pha nối lưới”.

ABSTRACT This thesis presents the space vector modulation for T-Type three-level inverter uder normal and open-fault conditions. The open-fault of T-Type three-level inverter is analyzed and the PWM method is proposed to control the inverter even though the switch is fault. The proposed method is simple based on the SVPWM for the conventional T-Type three-level inverter. First, the theory analyses are considered.

Hence, some simulation results are provided to verify the theory. Finally, an experimental setup was built in laboratory and some experimental results are shown to validate the simulation results. MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN. i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.

ii LỜI CẢM ƠN. vi MỤC LỤC. viii DANH SÁCH HÌNH VẼ. xi DANH SÁCH BẢNG BIỂU.

xv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT. xvi CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI.1 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .2 Giới thiệu về pin mặt trời .2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loạt pin mặt trời .3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời.1 Sơ đồ tƣơng đƣơng của pin mặt trời .2 Đặc tính của pin mặt trời .3 Những yếu tố bên ngoài ảnh hƣởng tới pin mặt trời.4 Kết luận chƣơng 1 .11 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VÀ GIẢI THUẬT MPPT .1 Bộ biến đổi DC/DC .2 Thuật toán bám điểm công suất cực đại.3 Kết luận chƣơng 2 .20 CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƢU DC-AC VÀ CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN .1 Bộ nghich lƣu một pha nối lƣới .2 Cấu trúc thuật toán PLL .3 Cấu trúc bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ .4 Bộ nghịch lƣu DC/AC .5 Vòng khóa pha .6 Điều khiển điện áp Vbus .7 Điều khiển dòng điện cộng hƣởng.8 Kết luận chƣơng 3 .33 CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSIM .1 Giới thiệu phần mềm Psim .2 Xây dựng mô hình mô phỏng bộ nghịch lƣu hòa lƣới một pha.1 Mô phỏng pin mặt trời .2 Mô phỏng bộ biến đổi DC/DC và thuật toán MPPT .3 Mô phỏng bộ nghịch lƣu DC/AC và thuật toán điều khiển dòng điện cộng hƣởng .3 Mô hình mô phỏng hoàn chỉnh .4 Kết quả mô phỏng .44 CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH NGHỊCH LƢU T-TYPE 5 BẬC .1 Giới thiệu các linh kiện cần thiết .1 Khóa đóng ngắt IGBT.2 Tụ điện đầu vào .3 Cuộn cảm và tụ điện của mạch lọc LCL .4 Mạch kích khóa bán dẫn .5 Kit vi điều khiển LAUNCHXL - F28379D .6 Op-amp LM358 .7 Cảm biến hall ACS712 20A .2 Thiết kế mạch .1 Giới thiệu về phần mềm Altium .2 Thiết kế mạch công suất .3 Thiết kế mạch đo điện áp, dòng điện và mạch cổng logic .3 Thi công mạch .57 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM .1 Giới thiệu phần mềm Code Composer Studio .2 Lập trình điều khiển vòng hở .3 Lập trình điều khiển vòng kín dòng điện khi kết nối với tải độc lập có sử dụng thuật toán PLL 69 CHƢƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .1 Các nội dung đã làm đƣợc .2 Các nội dung chƣa làm đƣợc .2 Hƣớng phát triển đề tài .81 TÀI LIỆU THAM KHẢO .82 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1. 1: Cấu trúc bộ nghịch lưu hòa lưới một pha dùng điện mặt trời. 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [4].

3: Pin mặt trời đơn tinh thể (mono) và đa tinh thể (poly)[2]. 4: Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời [4]. 5: Mô hình lý tưởng của tế bào pin mặt trời. 6: Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng [4].

7: Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của Rsh [4]. 8: Đặc tính I-V khi có điện trở Rsh [4]. 9: Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của điện trở Rs [4]. 10: Đặc tính I-V khi có điện trở Rs [4].

11: Đặc tính I-V và P-V khi cường độ chiếu sáng thay đổi [4]. 12: Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi [4]. 1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch Flyback Converter [11]. 2: Nguyên lý hoạt động và dạng sóng dòng điện khi mạch flyback hoạt động ở chế độ CCM ứng với trạng thái 1 và 2 [11].

3: Nguyên lý hoạt động và dạng sóng dòng điện khi mạch flyback hoạt động ở chế độ DCM ứng với trạng thái 1,2 và 3 [11]. 4: Mạch tương đương của biên áp Flyback [7]. 5: Cấu tạo của mạch Flyback Interleaved [8]. 6: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời [4].

7: Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có thể thay đổi giá trị [4]. 8: Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải có thể thay đổi giá trị [4]. 9: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O [3]. 10: Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref [3].

1: Cấu trúc bộ nghịch lưu một pha đa bậc, (a) half-bridge, (b) full-bridge, (c) hybrid-bridge [24]. 2: Bộ nghịch lưu một pha T-type 5 bậc [24]. 3: Ba chế độ hoạt động của các khóa đóng ngắt, (a) chế độ 1, (b) chế độ 2, (c) chế độ 3. 4: Dạng sóng bộ nghịch lưu T-type 5 bậc, (a) tín hiệu các khóa đóng ngắt trong một chu kì, (b) nút điện áp van(t) và dòng điện trong nữa chu kỳ dương [24].

5: Thời điểm chuyển đổi chế độ phụ thuộc vào sự khác biệt điện áp đặt trước giữa điện áp đầu ra (vo(t)) và một nửa điện áp bus (Vin/2). 6: Sơ đồ khối cấu trúc của Vòng khóa pha. 7: Vòng điều khiển điện áp Vbus. 8: Sơ đồ khối của vòng điều khiển dòng điện [10].

1: Các bộ lọc cơ bản, (a) bộ lọc L, (b) bộ lọc LC, (c) bộ lọc LCL. Error! Bookmark not defined. 1: Các đối tượng ứng dụng của phần mềm Psim. 2: Sơ đồ khối chi tiết bộ nghịch lưu hòa lưới một pha.

3: Thông số pin mặt trời Redsun 220W khi nhập vào Solar Module của PSIM. 4: Mô phỏng pin mặt trời kết nối với tải thuần trở. 5: Điện áp làm việc tại điểm cực đại của pin mặt trời khi ghép với tải R=3. 6: Mô phỏng một khối flyback với các thông số đã được tính toán như trên.

7: Mô phỏng bộ MPPT P&O bằng phần mềm PSIM. 8: Mô phỏng ghép nối pin mặt trời, Flyback Interleaved và MPPT lại với nhau. 9: Điện áp đầu ra của pin mặt trời. 10: Bộ nghịch lưu T-type 5 bậc kết hợp với thuật toán điều khiển dòng điện cộng hưởng.

11: Mô phỏng thuật toán điều khiển điện áp Vbus. 12: Mô phỏng vòng khóa pha PLL. 13: Mô phỏng thuật toán điều khiển dòng điện cộng hưởng. 14: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu hòa lưới một pha dùng điện mặt trời.

15: Điện áp pin mặt trời. 17: Điện áp ngõ ra inverter (đỏ) và điện áp lưới (xanh dương). 18: Dòng điện ngõ ra Inverter. 1: IGBT STGW40N120KD của hãng STMicroelectronics.

3: Cuộn lọc và tụ lọc của mạch lọc LCL. 4: Mạch kích khóa bán dẫn DA962D6 của hãng Pwrdriver. 5: Kit vi điều khiển LAUNCHXL- F28379D. 6: Sơ đồ chân kit LAUNCHXL- F28379D.

7: Op-amp LM358 và sơ đồ cấu tạo chân của nó. 8: Module cảm biến hall ACS712 20A. 9: IC logic 74HC32N (OR), 74HC08N (AND), 74HC04N (NOT). 10: Mạch công suất được thiết kế trên Altium.

11: Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện áp [20,28]. 12: Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng điện [20,28] .