CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Các hệ thống PV kết nối lưới Các hệ thống PV nối lưới được phân loại dựa trên mức công suất. Công nghệ trước đây sử dụng cấu hình biến tần đơn tập trung. Hiện tại và tương lai công nghệ này tập trung chủ yếu vào bộ chuyển đổi 2 cấp là bộ chuyển đổi DC/DC được kết nối giữa các module PV và Biến tần DC/AC.1 Biến tần đơn tập trung Thế hệ đầu tiên của hệ thống PV kết nối lưới là kết nối trực tiếp dùng DC/AC Inverter với một loạt các mô đun PV, thể hiện trong hình 1. Các mô đun PV được kết nối theo chuỗi, còn được gọi là chuỗi PV, để cung cấp điện áp đầu ra đủ.
Các chuỗi PV sau đó được kết nối song song qua chuỗi điốt để đạt được sản xuất điện năng cao. Trong cấu hình này, biến tần DC/AC dùng để điều khiển, theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT), điều khiển dòng điện và khuếch đại điện áp nếu cần thiết. Mặc dù cấu hình là đơn giản, nhưng còn nhiều hạn chế. Một trong những hạn chế lớn nhất là thu được năng lượng thấp khả năng tập trung của MPPT là nhỏ, không phù hợp bảng điều khiển và xuống cấp.
Các nhược điểm khác có thể bao gồm mất mát trong chuỗi điốt và không linh hoạt của thiết kế. Các phiên bản sau này đã được phát triển để tách MPPT cho mỗi chuỗi PV, Hình 1. Các hệ thống được gọi là chuỗi biến tần. Nó cung cấp năng lượng thu hoạch cao hơn so với trung chuyển và loại bỏ sự mất mát liên quan đến chuỗi điốt.
Mặc dù cấu hình này là thuận lợi trong hai cách nói trên, nhưng mọi người vẫn cố gắng tìm kiếm một thiết kế linh hoạt hơn cho phép họ tạo ra nhà máy điện PV với ít mô-đun và dễ dàng mở rộng hệ thống trong tương lai. Vì lý do này, các bộ chuyển đổi DC/DC có thể được kết nối ở giữa các mô đun PV và các bộ chuyển đổi DC/AC để cung cấp MPPT và khuếch đại điện áp do đó trong mỗi chuỗi sử dụng ít mô-đun PV. Có thể tiếp tục mở rộng hệ thống một cách dễ dàng với sự trợ giúp của bộ chuyển đổi DC/DC. 5 (a) Cấu hình biến tần tập trung (b) Cấu hình biến tần tập trung thu gọn Hình 1.1: Công nghệ trước đây - Biến tần tập trung 1.2 Biến tần hai cấp Để nâng cao khả năng thu năng lượng và tính linh hoạt thiết kế, riêng bộ chuyển đổi DC/DC, được kết nối giữa các mô đun PV và Biến tần DC/AC để thực hiện MPPT cho mỗi chuỗi PV thể hiện ở Hình 1.
Hệ thống thể hiện trong hình 1.2 (a) có PCC ở đầu cuối AC. Lợi ích loại hệ thống này từ mô đun của nó và khả năng cài đặt nút và hệ thống bởi người dùng sở hữu nhiều kiến thức về hệ thống điện. Đầu ra từ bộ chuyển đổi DC/DC có thể là một điện áp DC có độ gợn sóng thấp, hoặc một dòng điều biến theo sau một sóng sin điều chỉnh. Trong trường hợp thứ hai, bộ chuyển đổi DC/DC xử lý MPPT và dòng điện đầu ra trong khi bộ biến đổi DC/AC chuyển sang tần số lưới để mở ra sóng sin điều chỉnh.
Tham khảo [2] là một ví dụ của cấu hình mở ra. Sơ đồ đóng cắt trễ của biến tần DC/AC cho phép sử dụng các thiết bị đóng cắt chậm, BJT. Trong trường hợp đầu ra là một điện áp DC có độ gợn sóng thấp, chuyển đổi DC/DC điều khiển MPPT và khuếch đại điện thế nếu cần. Biến tần DC/AC là một bộ biến dòng nguồn điện áp (VSI) điều khiển thay đổi dòng điện đầu ra và ổn áp.
VSI, mạch đóng cắt của nó thường sử dụng cấu hình cầu hoặc bán cầu 6 (a) Biến tần hai cấp PCC tại thiết bị đầu cuối AC (b) biến tần hai cấp PCC tại đầu vào biến tần DC / AC Hình 1.2: Cấu hình biến tần hai cấp Hệ thống thể hiện trong hình 1.2 (b), nhiều bộ chuyển đổi DC/DC cấp nguồn cho một VSI đơn. Bộ chuyển đổi DC/DC điều khiển MPPT và khuếch đại điện thế nếu cần thiết và trung tâm biến tần DC/AC lại là một VSI điều khiển dòng điện đầu ra và điều chỉnh điện áp DC trung gian. Trong luận văn này, tôi tập trung vào thiết kế VSI của biến tần DC/AC thường được sử dụng trong các hệ thống biến tần PV hai cấp thể hiện trong hình 1.2 Các điều kiện hòa đồng bộ - Điều kiện về tần số : Hai nguồn phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số nguồn điện phải bằng tần số lưới. - Điều kiện về điện áp : Hai nguồn phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp nguồn phải bằng điệ n áp lưới.
- Điều kiện về pha : Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nếu số pha lớn hơn 1, 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 khó có thể điều chỉnh được góc pha. Do đó, điều kiện thực tế là : 7 1.1 Điều kiện về tần số Tần số của 2 nguồn xấp xỉ bằng nhau.
Sai lệch nằm trong khoảng ∆f cho phép. ∆f này là bao nhiêu tùy thuộc vào việc chỉnh định bộ điều tốc và rơle hòa điện tự động, hoặc rơle chống hòa sai. Thông thường, người ta điều chỉnh sao cho ∆f có trị số > 0 mộ t chú t, nghĩa là tần số nguồn điện cao hơn tầ n số lưới một chút. Như vậy khi hòa vào lưới nguồn điện sẽ bị tần số lưới giữ lại, nghĩa là nguồn điện sẽ phát một công suất nhỏ ra lưới ngay thời điểm đó ng máy cắt.2 Điều kiện về điện áp Người ta cũng cho phép điện áp có sai lệch chút ít so với điện áp lưới và người ta cũng chỉnh định sao cho điện áp nguồn điện bằng hoặc hơn điện áp lưới một chút để khi đóng điện thì công suất vô công của nguồn điện nhỉnh hơn 0 một chút.
Đối với điện áp thì có thể điều chỉnh cho điện áp nguồn điện bằng điện áp lưới chính xác mà không có vấn đề gì.3 Điều kiện về pha Đây là điều kiện bắt buộc và phải tuyệt đối chính xác. Thứ tự pha thường chỉ kiểm tra khi lắp đặt máy hoặc sau khi có thao tác sửa chữa bảo trì mà phải tháo rời các điểm nối. Vì phải điều chỉnh tần số nên 2 tầ n số không bằ ng nhau. Do đó , góc pha sẽ thay đổi liên tục theo tần số phách bằ ng hiệu củ a 2 tần số.
Các rơle phải dự đoán chính xác thời điểm góc pha bằng 0, biết trước thời gian đóng của máy cắt và phải cho ra tín hiệu đóng máy cắt trước thời điểm đồng bộ bằng đúng thời gian đó. Thường khoảng dưới 100 ms đến vài trăm ms. Các điều kiện về điện áp và điều kiện về tần số có thể kiểm tra bằng các dụng cụ đo trực tiếp như vôn kế, tần số kế nhưng các điều kiện về pha: thứ tự pha và đồng vị pha (góc lệch pha) cần phải kiể m tra nghiêm ngặt hơn.4 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới Đối với các hệ thống phân đoạn, hệ thống lưới mạch vòng, thì đồng vị pha đã được xác định ngay khi thiết kế. Tuy nhiên do những sai lệch về điện áp giáng trên đường dây, trên tổng trở ngắn mạch của máy biến áp, do phối hợp các tổng trở các máy biến áp trong mạch vòng không tốt và do sự phân bố tải trước khi đóng, nên góc pha giữa 2 8 đầu máy cắt có thể khác 0.
Nhưng thường là ít thay đổi trong thời gian ngắn. Trong trường hợp này, đóng máy cắt sẽ không gây ra ảnh hưởng gì lớn, ngoại trừ một vài điểm nào đó có khả năng quá tải. Đối với một số vùng liên kết với hệ thống lưới bằng 1 đường duy nhất, hoặc nhiều đường nhưng do sự cố đã rã toàn bộ, thì khi đóng lại, góc pha sẽ không còn 0 nữa. Khi đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục, vì 2 tần số lúc ấy sẽ không còn bằng nhau.
Đóng máy cắt lúc đó phải đầy đủ các điều kiện về tần số như hòa đồng bộ máy phát điện. Và thường rất khó, khó hơn hòa đồng bộ máy phát. Vì muốn thay đổi tần số của một trong 2 hệ thì không thể tác động tại chỗ được, mà phải liên hệ từ xa. Để bảo đảm đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt ấy phải có lắp đặt rơ le hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai.
Đối với trường hợp thứ nhất, rơ le có thể chỉnh định với khoảng cho phép khá rộng: góc pha có thể sai từ 5 đến 10%, điện áp cho phép sai từ 5 đến 10%.Để hòa nguồn điện từ pin mặt trời vào lưới cũng không đơn giản, do điện áp và tần số khó thỏa mãn điều kiện hoà. Do vậy, ta không nên hòa trực tiếp, mà hòa điện thông qua bộ nghịch lưu. Các bộ nghich lưu ngày nay có thể biến điện áp 1 chiều từ ắc quy thành nguồn có tần số và điện áp bất kỳ.3 Các điều khiển của VSI Có ba kỹ thuật điều khiển dòng điện đầu ra duy nhất cho một pha VSI: Dải trễ, dự đoán, và điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM). Bộ điều khiển trễ truyền thống thường có một dãy sai số trong một dải cố định.
Trong bộ điều khiển như vậy, nếu dòng điện đầu ra đo được thấp hơn giới hạn dưới của dải trễ của dòng điện chuẩn, cầu tăng điện áp ra, tăng dòng điện. Ngược lại, khi dòng điện đầu ra cao hơn phía trên giới hạn của dải trễ của dòng điện chuẩn, cầu giảm điện áp ra, giảm dòng điện. Loại bộ điều khiển này có ưu điểm là đơn giản và mạnh mẽ, nhưng các sai số dải cố định sẽ gây ra tần số chuyển đổi khác nhau liên tục, có thể làm tăng sự phức tạp của việc thiết kế các bộ lọc đầu ra và các bồn hứng nhiệt của các thiết bị chuyển mạch. Bộ điều khiển dự đoán tính toán điện áp đầu ra của cầu cần thiết để đo dòng điện ra theo trị số chuẩn.
Loại điều khiển này mang lại tiềm năng để điều khiển dòng điện với độ méo nhỏ. Tuy nhiên, bộ điều khiển yêu cầu tính toán phức tạp và đòi hỏi một kiến thức rất chính xác về hệ thống tham số toán học.