Đặt vấn đề : Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu có nguồn gốc năng lượng hóa thạch luôn gây ô nhiễm môi trường, đang cạn kiệt dần và làm cho trái đất ấm dần lên. Việc tìm ra nguồn năng lượng sạch, vô tận luôn là ưu tiên hàng đầu. Năng lượng mặt trời, năng lượng gió đã thỏa mãn được những yêu cầu trên, nhưng có công suất không lớn và rất không tập trung. Để tận dụng có hiệu quả, cần phải kết nối các nguồn năng lượng này thông qua hệ thống lưới điện phân phối có sẵn bằng các bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với điện xoay chiều.
Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này [1, 2], tuy nhiên các mục tiêu điều khiển chủ yếu tập trung điều khiển dòng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q với các điều kiện ràng buộc như tần số, điện áp lưới không thay đổi hay điện áp DC của bộ nghịch lưu không thay đổi, tuy nhiên, trong thực tế, các giá trị này thay đổi đáng kể. Luận văn này tập trung xây dựng một giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối lưới AC có khả năng tự động ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới với công suất Q luôn ở mức rất thấp (hệ số công suất luôn từ 0.98 đến gần bằng 1) ngay cả khi đảm bảo điện áp, tần số lưới và điện áp đặt vào bộ nghịch lưu thay đổi. Nhiệm vụ của luận văn : Luận văn “Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia” có nội dung chủ yếu: - Tầm quan trọng của luận văn. - Phân tích sự ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện.
- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng. - Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hòa năng lượng mặt trời vào lưới quốc gia. - Kết quả nghiên cứu của luận văn. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện.
- Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC. HVTH:Phạm Quốc Khanh Page 1 Luan van Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia GVHD: TS. Trương Việt Anh - Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện phân phối. - Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện.
- Áp dụng kết quả để tính toán thiết kế. Phương pháp nghiên cứu : 1. Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện.
Ảnh hưởng của các thông số khi hòa. Đề nghị mô hình tính toán cụ thể. Xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực tế. Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài. Điểm mới của luận văn : 1. Tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia.
Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính toán bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia. Góp phần ổn định lưới điện phân phối. Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng. Nguồn năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới khi giờ cao điểm.
Giá trị thực tiễn của đề tài : Từ yêu cầu cấp thiết từ thực tế, góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng. Nguồn năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới khi giờ cao HVTH:Phạm Quốc Khanh Page 2 Luan van Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia GVHD: TS. Trương Việt Anh điểm. Chính vì lý do trên, đề tài: "Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia" được hình thành.
Từ công việc nghiên cứu của luận văn: 1. Nhận được kết quả từ một mô hình thiết kế chính xác bộ chuyển đổi năng lượng. Với kết quả nhận được có thể: Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện. Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.
Sử dụng làm tài liệu giảng dạy. Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế bộ chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia. Nội dung luận văn : Chương 0 : Giới thiệu Chương 1 : Tổng quan Chương 2 : Phương trình toán và giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu Chương 3 : Sơ đồ và kết quả mô phỏng bằng matlab Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển HVTH:Phạm Quốc Khanh Page 3 Luan van Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia GVHD: TS. Trương Việt Anh 1.1 Tính cần thiết.
Ngày nay với xã hội phát triển đòi hỏi cần nguồn năng lượng điện lớn. Vì vậy đòi hỏi phải phát triển nhiều nguồn năng lượng điện khác nhau như: nhiệt điện, thủy điện, năng lượng hạt nhân … nhưng những nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt lại ảnh hưởng đến môi trường cũng như môi trường sinh thái. Vì vậy cần nguồn năng lượng đảm bảo được các yếu tố trên nhưng lại là vô tận. Phong điện, năng lượng mặt trời được khai thác triệt để nhưng lại rất tốn kém.
Với ý tưởng tận dụng những nguồn nhỏ sẵn có của các hộ gia đình công suất nhỏ như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, máy phát Diesel, máy phát biogas. sẽ cùng kết nối vào lưới điện nhằm giảm tải cho lưới điện từ các hộ gia đình và tăng nguồn cung cấp cho hệ thống điện. Kết nối các nguồn điện sẵn có từ các hộ gia đình vào hệ thống điện nhằm đảm bảo liên tục cung cấp điện, chí ít cho chính phụ tải hộ gia đình đang dùng cũng như hạn chế việc quá tải trên đường dây. Việc kết nối này sẽ tận dụng công suất tối đa của các nguồn năng lượng mà các hộ tiêu thụ có thể phát khi tải hộ gia đình nhỏ mà nguồn năng lượng phát lớn.
Đây chính là yếu tố nhằm ổn định hệ thống điện khi bị quá tải. Các nghiên cứu về vấn đề này đã được triển khai và tập trung nhiều về việc điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng. Một vấn đề được quan tâm ngoài hai việc điều khiển trên là: khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời thay đổi, điện áp nguồn lưới phân phối thay đổi, tần số nguồn lưới thay đổi nó sẽ ảnh hưởng đến hệ thống như thế nào. Với phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa vào lưới phân phối một pha có công suất nhỏ là việc rất cần thiết khi các thông số nguồn thay đổi vì nó ảnh hưởng rất lớn đến các khóa điện tử của bộ nghịch lưu.
Nhiệm vụ của luận văn nhằm ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới là không đổi khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời, điện áp và tần số của nguồn lưới điện phân phối thay đổi, cũng như luôn giữ được Q ở mức thấp nhất nhằm nâng cao HVTH:Phạm Quốc Khanh Page 4 Luan van Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia GVHD: TS. Trương Việt Anh hệ số công suất. Việc ổn định dòng điện sẽ không làm hư hại các khóa điện tử của bộ nghịch lưu cũng như các thiết bị có trong hệ thống đồng thời giảm thiểu tối đa công suất phản kháng Q phát vào lưới.2 Hòa đồng bộ hai máy phát. Ta biết rằng thao tác hoà đồng bộ hai máy phát là chọn điểm đồng bộ để đóng áp to mát của tổ máy hoà lên lưới là việc song song với tổ máy phát đang làm việc trên lưới.
Điểm hoà chính xác là điểm thỏa mãn các điều kiện sau: - Biên độ Sđđ máy hòa bằng điện áp lưới Eh =Ul - Giá trị tần số của máy hoà phải bằng tần số của lưới Fh = fl - Các tổ máy phát phải có cùng thứ tự pha - Góc lệch giữa hai véc tơ Eh,Ul bằng "không " Để phân tích các điều kiện ta có thể giả thiết các máy phát đang làm việc khi thực hiện hoà đồng bộ chính xác phải làm sao để dòng điện cân bằng chạy giữa các máy phát điện có giá trị nhỏ nhất để máy phát không hỏng, các máy phát hoạt động song song bình thường. Nếu các điều kiện hoà song song được thoả mãn, đặc biệt góc lệch pha giữa các điện áp pha nằm trong giới hạn cho phép việc hoà song song xẩy ra êm, không có dòng cân bằng lớn. Điều kiện hoà song song giữa các máy phát được thỏa mãn khi: - Hiệu số hình học điện áp giữa điện áp pha của máy phát đang hoạt động và máy phát được hoà phải bằng không. - Dòng cân bằng vào thời điểm hoà bằng không, cụ thể không có tăng dòng đột biến, không có hiện tượng giao động điện áp trên thanh cái.
- Nếu các điều kiện hoà đồng bộ chính xác không được thoả mãn từng phần hay toàn bộ khi hòa máy phát vào mạng sẽ có dòng cân bằng và giao động điện áp trên thanh cái với những giá trị khác nhau trên lưới được quy về một tổ máy tương đương gọi là Fl. Máy sẽ hoà vào gọi là MF1. Tại bất cứ thời điểm nào trước khi hoà ta cũng có HVTH:Phạm Quốc Khanh Page 5 Luan van Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia GVHD: TS. Trương Việt Anh u l 2U l sin(1t 1 ) eh 2 Eh sin(2t 2 ) Giả sử ban đầu lấy 1 2 = 0 ta coù : 1 2 2 u l eh u 2U cos( )t.
1: Công tác song song HVTH:Phạm Quốc Khanh Page 6 Luan van Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia GVHD: TS. Trương Việt Anh Hình 1. 2: Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa 1. Phân tích các điều kiện hòa.
Điều kiện về điện áp.