Hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới

Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối

Chương 1
TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu
Trong những năm gần đây, vì sự thiếu hụt năng lượng trên khắp thế giới và vấn đề sử dụng năng lượng an toàn đã dẫn đến ngày càng có nhiều sự quan tâm đến phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Các lợi ích từ các nguồn năng lượng tái tạo đã được thừa nhận rộng rãi. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và là nguồn năng lượng trong tương lai. Để hệ thống điện mặt trời thực sự là thân thiện với môi trường thì cần loại bỏ hệ thống ắc quy dùng để trữ điện ra khỏi hệ thống chính vì thế hệ thống điện mặt trời nối lưới cần được nghiên cứu để sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này. Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC và có điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời do đó điện áp và công suất ngõ ra thay đổi rất nhiều. Để hệ thống điện mặt trời hoà được vào lưới truyền tải hay là phân phối thì hệ thống điện mặt trời phải giải quyết 2 vấn đề cơ bản đó là chuyển đổi từ DC sang AC và ổn định điện áp ngõ ra của hệ. Mặt khác do hiệu suất của PIN mặt trời còn thấp nên để tăng hiệu quả của hệ thống thì một biện pháp nhằm tối ưu công suất phát của PIN cũng cần được nghiên cứu.
Mặt khác, với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất và công nghệ xử lý tín hiệu, việc nghiên cứu bộ chuyển đổi đa bậc trở thành một trong những trọng tâm trong lĩnh vực điện tử công suất. So với các bộ chuyển đổi hai bậc thông thường, bộ chuyển đổi đa bậc có nhiều thuận lợi và điểm thu hút như sau:
- Có thể tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp
- Chúng cho dòng ngõ ra với độ méo rất thấp
- Chúng phát ra điện áp common-mode (CM) thấp hơn. Ngoài ra, việc sử dụng các phương pháp điều chế tinh vi, điện áp CM có thể được loại bỏ.
- Chúng có thể vận hành với tần số đóng ngắt thấp hơn, dẫn đến tổn thất đóng cắt thấp hơn và hiệu suất cao hơn.
Chính vì những vấn đề trên mà việc nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới dùng biến tần đa bậc lai là một đề tài cần triển khai thực hiện trong giai đoạn hiện nay.
* Một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống kết nối PV với lưới được tóm tắt như sau:
Bài báo [1] trình bày một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha với kỹ thuật hai tín hiệu điều chế mới. Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu PWM. Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4 điốt và một công tắc. Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2Vdc, Vdc, - 1/2Vdc, và - Vdc. Một thuật toán điều khiển dòng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ sung trong DSP TMS320F2812 để giữ dòng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp. Tính hiệu lực của bộ nghịch lưu đưa ra được chứng minh qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm so với bộ nghịch lưu PWM nối lưới ba bậc một pha thông thường về mặt THD.
* Ưu điểm:
- Tạo ra dòng điện bơm vào lưới hình sin
- Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp hơn (7,5% so với BNL 3 bậc thông thường là 12,8%)
- Dùng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm việc của đường cong I-V ở giá trị cực đại. Thuật toán MPPT sẽ đảm bảo rằng công suất cực đại được phân phối từ các dãy pin mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào.
- Dòng và áp lưới cùng pha ở hệ số công suất gần bằng 1 (0,99)
- Kích cỡ bộ lọc nhỏ
- Nhiễu điện từ (EMI) thấp
* Hạn chế:
- Hiệu suất BNL đưa ra (90%) thấp hơn so với BNL 3 bậc thông thường (92%)
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp nguồn lưới bị sự cố và mất điện.

Để đạt được dòng điện ngõ ra gần hình sin, nâng cao chất lượng điện năng, và giảm tổn thất năng lượng, bài báo này trình bày một hệ thống điều hòa công suất nối lưới pin mặt trời (PVPC) dựa trên BNL đa bậc lai [2]. Trong cấu trúc được đưa ra, mỗi pha của BNL bao gồm hai bộ chuyển đổi cầu H, và hai bộ chuyển đổi được nối bởi hai MBA lưới để phát ra 9 mức điện áp. Bộ PVPC được tích hợp với việc bù công suất phản kháng và công suất tác dụng, theo cách này, PVPC không chỉ cung cấp công suất tác dụng và công suất phản kháng mà còn nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện. Sau đó, phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian được áp dụng trong bài báo này, phương pháp này có thể giải quyết sự thiếu ứng dụng của phương pháp PWM lai. Cuối cùng, các kết quả mô phỏng trên phòng thí nghiệm 380V/13kW sẽ được trình bày để chứng minh hệ thống PVPC được đưa ra.
* Ưu điểm:
Các đặc điểm hấp dẫn của bộ PVPC đa bậc được đưa ra được tóm tắt như sau:
1. Phát ra dạng sóng điện áp ngõ ra chất lượng cao (lượng hài thấp): THDI < 2%.
2. Tần số đóng cắt thấp hơn so với các BNL thông thường
3. Hiệu quả lọc cao vì điện kháng rò của các MBA ghép tầng
4. Áp dv/dt đặt lên các linh kiện đóng cắt thấp
5. Bộ PVPC dùng một bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC để đạt được chức năng truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và làm cho tụ DC giữ trạng thái cân bằng.
6. Cách ly được dòng DC và lưới thông qua việc sử dụng các máy biến áp ghép tầng.
* Hạn chế:
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp nguồn lưới bị sự cố và mất điện.
Bài báo này nói về việc mô hình hóa và mô phỏng của một hệ thống pin quang điện nối lưới (GCPS) [3] để phân tích cách kết nối lưới và hiệu quả điều khiển của GCPS trong việc thiết kế hệ thống. Một mô hình mạch đơn giản của dãy pin mặt trời được dùng để mô phỏng dễ dàng các đặc tính vốn có của nó với số liệu đặc tính cơ bản. Việc điều khiển công suất và bảo vệ của GCPS cũng như các mạch điện của nó được trình bày bởi các thành phần gắn liền và được định nghĩa bởi người sử dụng để đưa vào tính toán quá độ ở các tình trạng bình thường và sự cố, mà ở đó nó được kiểm soát bởi bộ điều khiển điện tử công suất. Mô hình được mô tả với sự xem xét và thi hành trong phần mềm PSCAD/EMTDC, một gói phần mềm quá độ hệ thống điện. Các kết quả mô phỏng có phạm vi rộng được trình bày và phân tích để chứng minh rằng mô hình mô phỏng được đưa ra là hiệu quả đối với sự đánh giá hiệc quả bảo vệ và điều khiển của GCPS về mặt phân tích quá độ điện từ.
* Ưu điểm:
Bài báo đã đưa ra mô hình và thuật toán điều khiển GCPS với sự phân tích chi tiết các vấn đề như:
- Hiệu quả điều khiển công suất của GCPS.
- Khả năng chống cô lập của hệ thống khi lưới bị sự cố thông qua bộ điều khiển bảo vệ.
- Sử dụng thuật toán truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để cung cấp công suất cực đại được phân phối từ hệ thống PV ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào.
- Phân tích đáp ứng quá độ của hệ thống khi được nối lưới.
- Độ méo dạng tổng do sóng hài (THD) của dòng ngõ ra BNL bằng 2,5%.
* Hạn chế:
- Tần số đóng cắt linh kiện lớn, công suất bộ nghịch lưu cũng khó nâng cao.
Bài báo trình bày và thảo luận một cấu trúc chuyển đổi mới cho việc nối lưới của một hệ thống phát điện bằng pin mặt trời. Bộ điều hòa công suất đưa ra sử dụng một cấu trúc bộ nghịch lưu đôi [4] để nâng cao công suất định mức cực đại trên cơ sở các bộ nghịch lưu ba pha chuẩn.
* Ưu điểm:
Bài báo đã đưa ra mô hình điều khiển GCPS với các ưu điểm như sau:
- Có khả năng nâng cao công suất định mức so với các bộ nghịch lưu 3 bậc thông thường.
- Bên cạnh việc phát công suất, hệ thống hoạt động như một bộ lọc tích cực với khả năng cân bằng tải, bù sóng hài và bơm công suất phản kháng.
- Không gặp vấn đề phải cân bằng điện áp như các bộ nghịch lưu đa bậc khác.
- Tạo điện áp ngõ ra 9 bậc nên ít bị méo dạng.
- Sử dụng hai dãy pin riêng biệt cấp cho mỗi BNL nên hạn chế được dòng điện thứ tự không trong mạch.
* Hạn chế:
- Thuật toán điều khiển phức tạp so với các BNL thông thường.
- Không đề cập rõ chỉ số độ méo dạng tổng do sóng hài (THD).
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Như đã đề cập ở trên, với sự khan hiếm của các nguồn năng lượng hóa thạch và các ảnh hưởng của chúng đến môi trường thì việc nghiên cứu kết nối các PV với lưới là vấn đề cấp thiết nhằm khắc phục tình trạng thiếu điện trầm trọng như hiện nay.
Công trình nghiên cứu này có thể làm tài liệu tham khảo và là nền tảng để phát triển cho các hướng nghiên cứu sau này.
Có thể dùng cho việc thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kết nối các PV với lưới điện bằng biến tần lai.
1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai, cụ thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật toán điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới.
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
a. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập.
- Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV.
- Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần đa bậc lai.
- Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần mềm MATLAB.
- Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Đánh giá kết quả mô phỏng.
- Kết luận
b. Giới hạn của đề tài
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như sau:
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet).
- tham gia các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu.
- Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink.
- Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng.


Xem link download tại Blog Kết nối!
Music ♫

Copyright: Tài liệu đại học ©