MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, các nguồn năng lƣợng trên trái đất nhƣ dầu mỏ, than đá… đang dần cạn kiệt, không còn để khai thác đƣợc nữa. Ngoài ra, những nguồn năng lƣợng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hƣởng đến đời sống con ngƣời. Trong khi đó, nguồn năng lƣợng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lƣợng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trƣờng.
Vì vậy, tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng tái tạo đang là hƣớng đi mới trong năng lƣợng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lƣợng đang đặt lên hàng đầu. Việc khai thác năng lƣợng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lƣợng và phát triển bền vững. Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng 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 lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông,…Đó là loại hình năng lƣợng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lƣới không vƣơn đến đƣợc (vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …).
Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. Ở Việt Nam, năng lƣợng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lƣợng bức xạ trung bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lƣợng điện toàn quốc.
Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhƣng vì nhiều lý do, việc phát triển năng lƣợng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tƣ ban đầu lớn hơn các dạng năng lƣợng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lƣợng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lƣợng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ (tức là khai thác và sử dụng tại chỗ), năng lƣợng dƣ thừa chƣa hòa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 đƣợc lên lƣới điện quốc gia (bán trở lại cho lƣới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện). Vì vậy, việc Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha đang là một vấn đề cấp thiết. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lƣợng một chiều (DC), Nguồn năng lƣợng một chiều này đƣợc chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lƣu.
Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lƣợng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dƣ thừa đƣợc bán trở lại lƣới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lƣới điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu dân cƣ sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời.
Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tƣ liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác. Mục tiêu nghiên cứu. Đề tài này đặt mục tiêu chính là “Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha’’ Các mục tiêu cụ thể: - Tổng quan về các bộ biến đổi; - Vấn đề hòa nguồn điện với lƣới; - Hệ thống điện mặt trời; - Điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lƣới: + Mô hình toán học + Điều khiển theo dõi điểm làm việc có công suất cực đại + Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng - Mô phỏng thực nghiệm 4. Đối tƣợng nghiên cứu.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng các thuật toán điều khiển; - Mô hình hóa, mô phỏng để kiểm nghiệm và đánh giá các thuật toán đề xuất. Bố cục luận văn Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết sử dung trong đề tài Chƣơng 2: Hệ thống điện mặt trời Chƣơng 3: Điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha. Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 1.
Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC) 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 lƣu (thƣờng 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 đƣợc 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 thƣờng đƣợc 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 đƣợc dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều.
Các loại bộ biến đổi DC/DC thƣờng dùng trong hệ PV gồm: Bộ giảm áp (buck) Bộ tăng áp (boost) Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk Bộ giảm áp buck có thể định đƣợc điểm làm việc có công suất tối ƣu mỗi khi điện áp vào vƣợt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trƣờng hợp này ít thực hiện đƣợc khi cƣờng độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp. Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ƣu ngay cả với cƣờng độ ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lƣới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trƣớc khi đƣa vào bộ biến đổi DC/AC. Bộ biến đổi DC-DC không cách li 1.
Mạch Buck Sơ đồ nguyên lý mạch buck đƣợc chỉ ra trên hình 1. 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 đƣợc đóng mở với tần số cao.
Hệ số làm việc D của khóa đƣợc xác định theo công thức sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1) Trong đó Ton là thời gian khóa K mở, T là chu kỳ làm việc của khóa, fDC tần số đóng cắt. 1: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều đƣợc nạp vào tụ C2 và cấp năng lƣợng cho tải qua cuộn kháng L. Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lƣợng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy nhiên tải vẫn đƣợc cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lƣợng lƣu trên cuộn kháng và tụ điện do Diode khép kín mạch.
Nhƣ vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lƣu giữ năng lƣợng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.2) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển đƣợc bằng cách điều khiển hệ số làm việc. Hệ số làm việc đƣợc điều khiển bằng cách phƣơng pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton. Do đó, bộ biến đổi này còn đƣợc biết đến nhƣ là bộ điều chế xung PWM. Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất.
Bộ Buck cũng thƣờng đƣợc dùng để nạp ắc quy nhƣng nó có nhƣợc điểm là dòng vào không liên tục vì khóa điện tử đƣợc 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 đƣợc 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, cƣờng độ bức xạ.
Nhƣng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểm MPP xuống thấp hơn ngƣỡng điện áp nạp ắc quy dƣới điều kiện nhiệt độ cao và cƣờng 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. Mạch Boost Sơ đồ nguyên lý mạch Boost nhƣ hình 1.2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Giống nhƣ bộ Buck, hoạt động của bộ Boost đƣợc thực hiện qua cuộn kháng L.
Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ. Khi K mở cho dòng qua (ton) cuộn kháng tích năng lƣợng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lƣợng qua Điốt tới tải.3) Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra. Khi khóa K mở, cuộn cảm đƣợc 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 đƣợc tính theo: Với phƣơng pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vo. Mạch Buck – Boost Sơ đồ nguyên lý nhƣ 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 hƣớng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận.