Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


DƢƠNG QUỲNH NGA
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN
SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS LẠI KHẮC LÃI
Thái Nguyên, 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
ĐẠI HỌC KTCN THÁI NGUYÊN
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI:
“THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA”


THÁI NGUYÊN, 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 1 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Lời cam đoan
4
Lời cảm ơn
5
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
6
Danh mục các bảng
8
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
9
Chƣơng 1: Tìm hiểu về năng lƣợng mặt trời và các phƣơng pháp
khai thác, sử dụng
12
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
13
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời
13
1.1.2. Năng lượng mặt trời
14
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời
15

17
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời


29
1.3. Kết luận chƣơng 1
32
Chƣơng 2: Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời
33
2.1. Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập
33
2.2. Lý thuyết hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời nối lƣới
35
2.2.1. Pin mặt trời
36
2.2.2. Bộ đóng cắt mềm
39
2.2.3. Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter
39
2.2.4. Bộ nghịch lưu DC/AC
43
2.2.5. Bộ lọc phía lưới:
45
2.2.6. Thiết bị điều khiển
45
2.3. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lƣới
48
.
48

48

49

3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ Boost Converter
66
3.3.3. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha DC/AC
(Voltage Source Inverter - VSI)
74
Mạch vòng khóa pha PLL (Phase-locked loop)
78
3.4. Kết luận chƣơng 3
82
3.5. Kết luận và kiến nghị
82
Tài liệu tham khảo
84

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 4 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Dương Quỳnh Nga
Sinh ngày 20 tháng 11 năm 1985
Học viên lớp cao học khóa 13 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử
dụng năng lƣợng mặt trời hòa lƣới điện quốc gia” do thầy giáo PGS.TS Lại
Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu
tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận
văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào


Dƣơng Quỳnh Nga
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 6 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
I
Φ
: dòng quang điện (A/m
2
);
I
D
: dòng qua điot (A/m
2
);
I
S
: dòng bão hoà (A/m
2
);
n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn
thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy n = 1;
R
S
: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời ( /m
2
);
R

s
s
i
là véc tơ dòng i
s
quan sát trên hệ tọa độ αβ
f
s
i
là véc tơ dòng i
s
quan sát trên hệ tọa độ dq
i
sα
và i
sβ
là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ αβ
θ là góc lệch pha của hệ tọa độ cùng gốc dq so với hệ αβ
i
sd
và i
sq
là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ dq
T
s
là chu kỳ cắt mẫu
t
p
, t
t

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng
Tên bảng
Trang
Bảng 1.1
Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng
10
Bảng 1.2
Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời
11
Bảng 3.1
Bảng các điện áp pha và dây của lưới
50
Bảng 3.2
Bảng lựa chọn véc tơ biên chuẩn và véc tơ không
51

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 9 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình
Tên hình
Trang
Hình 1.1
Cấu trúc mặt trời
9
Hình 1.2
Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

23
Hình 2.1
Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện Mặt trời
24
Hình 2.2
Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
25
Hình 2.3
Sơ đồ tương đương của Pin mặt trời
27
Hình 2.4
Bộ đóng cắt mềm
28
Hình 2.5
Bộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET
29
Hình 2.6
Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp
29
Hình 2.7
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho bộ Boost
Converter
32
Hình 2.8
Sơ đồ mạch động lực bộ nghịch lưu DC/AC
33
Hình 2.9
Bộ lọc phía lưới
34
Hình 2.10

Hình 3.7
Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời
55
Hình 3.8
Đặc tính P-V của dàn pin
55
Hình 3.9
Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời qua mô phỏng trên
phần mềm Matlab - Simulink
56
Hình 3.10
Sơ đồ mô phỏng bộ Boost Converter trên Matlab
57
Hình 3.11:
Hình 3.11: Thông số mạch Boost Converter
57
Hình 3.12
Hình 3.12: Mô tả bộ điều khiển DC-DC (MPPT)
58
Hình 3.13
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển MPPT
59
Hình 3.14
Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất đầu vào
của máy phát: (a)- Bằng bộ nhân analog, (b)- Bằng sơn
59
Hình 3.15
Điều chế và giải mã cho quá trình duy trì iểm công suất
cực đại (MPPT)
60

Khối tính toán I
d ref

66
Hình 3.26
Khâu điều chỉnh dòng
66
Hình 3.27
Khối tính toán U
abc_ref

67
Hình 3.28
Mô tả mạch vòng khóa pha PLL và các khối đo lường
67
Hình 3.29
Mô tả bộ chuyển hệ tọa độ
67
Hình 3.30
Mô tả bộ Phase Lock Loop PLL
70
Hình 3.31
Mạch điều khiển toàn hệ thống
71
Hình 3.32:
Điện áp đầu ra hệ thống khi nối lưới
71
Hình 3.33
Dòng điện I
d

nguyên đóng góp trực tiếp vào các nguồn cung cấp phân bố trên diện rộng dựa
trên mạng lưới điện quốc gia. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 13 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng 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 lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng
lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là
vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết
các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt trái đất.
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời
Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.10
8
km. Từ trái
đất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31
’
59. Từ đó có thể tính được
đường kính của mặt trời là R = 1,4.10
6
km, tức là bằng 109 lần đường kính quả
đất và do đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.10
4
lần. Từ định
luật hấp dẫn người ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là 1,989.10
27
tấn,
lớn hơn khối lượng quả đất 33.10

), Heli (He)
chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây nó
phát ra 3,865.10
26
J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10
16
tấn than
đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và
bằng 17,57.10
16
J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.10
6
tấn than đá.
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản
ứng nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tương đối của Anhstanh và qua phản ứng nhiệt
nhiệt hạt nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng. Nhiệt độ mặt ngoài
của mặt trời khoảng 6000
0
K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến
Hình 1.1. Cấu trúc mặt trời
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 15 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
hàng triệu độ. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.10
8
MPa. Do nhiệt độ và
áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hoá
và chuyển động với năng lượng rất lớn. Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng
loạt các phản ứng hạt nhân. Người ta đã xác định được nguồn năng lượng của
mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các phản ứng tuần

-10
10
-8
10
-6
10
10
10
-4
10
-2
10
0
10
2
10
4
10
6
10
8
10
12
10
14
Tia
vũ
trụ
Tia
Rơnghen

cũng khác nhau. Bảng 1.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ
điện từ phụ thuộc vào bước sóng của nó, còn bảng 1.2 là quan hệ giữa màu sắc
của ánh sáng và bước sóng của nó. Từ bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng lượng
bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong giải bước sóng từ = 0,2 m (tử ngoại C,
tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến = 3.0 m (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng
lượng 1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ năng lượng không đáng kể.
Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các
phân tử khí, các hạt bụi, hấp thụ hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lượng
mặt trời khi đến bề mặt quả đất bị thay đổi rất đáng kể.
Bảng 1.1 : Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bƣớc sóng
Quang phổ
Bước sóng
Mật độ năng
lượng (W/m
2
)
Tỷ lệ %
Tia vũ trụ
Tia X
< 1 nm
0,1 nm
6,978.10
.5
6,978.10
.7Tia tử ngoại C
0,2 0,28 m
7,864.10

2,280.10
2

16,68

Tia hồng ngoại
0,78 1,40 m
4,125.10
2

30,18
1,40 3,00 m
1,836.10
2

13,43
3,00 100,00 m
2,637.10
1

1,93

Sóng vô tuyến
điện
0,10 10,0 cm
6,978.10
.910,00 100,0 cm

420
400 450

1.1 .
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời
Qủa đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H
khoảng 7991 km bao gồm các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 18 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
lỏng, chất rắn và các đám mây, Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí
quyển đó để đến được mặt đất thì năng lượng và phổ của nó bị thay đổi đáng kể.
(a) (b)

Ở bên ngoài lớp khí quyển quả đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số và
có giá trị là 1353 W/m
2
. Giá trị này được gọi là hằng số mặt trời. Phổ của bức xạ
mặt trời là một đường cong liên tục có năng lượng chủ yếu nằm trong vùng bước
sóng từ 0,1 m đến ngoài 3 m (hình 1.3). Đường phân bố phổ này gần giống
đường phân bố phổ bức xạ của một vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 5726
0
K. Cực đại
của phổ bức xạ mặt trời nằm ở bước sóng 0,48 m và ứng với mật độ năng lượng
2074 W/m

Cùc B¾c
VÜ ®é
Cùc Nam
O
Hình 1.3. Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 19 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
Hình1.4. Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển
Tán xạ Rayleith là sự tán xạ của tia mặt trời lên các phân tử khí hay các hạt
bụi có kích thước rất nhỏ so với bước sóng của bức xạ. Theo lý thuyết
Rayleith thì hệ số tán xạ trong quá trình này tỷ lệ với
.4
. Một cách gần đúng, có
thể đánh giá rằng, 50% năng lượng của các tia bức xạ tán xạ bị mất đi khi qua
lớp khí quyển trái đất, chỉ còn 50% đến được quả đất theo các hướng khác nhau,
và được gọi là bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ tán xạ. Sự tán xạ xảy ra trên các hạt
bụi nói chung có kích thước lớn hơn nhiều so với kích thước các phân tử khí
nên việc tính toán trở nên rất khó khăn. Vì kích thước và mật độ của chúng biến
đổi từ vùng này sang vùng khác, và còn phụ thuộc cả vào độ cao và thời gian.
Tán xạ Mie là tán xạ xảy ra khi kích thước của các hạt bụi lớn hơn bước


160
0800

0

0,2

0,8

1,4

2,0

2,6

O
3

H
2
O
O
2

H
2

bố phổ của nó ở mặt đất không còn được liên tục như ở ngoài khí quyển quả
đất, mà bị “xẻ” thành nhiều “rãnh” hoặc các “vùng rãnh” như đã chỉ ra trên hình
1.4.
Trong các ngày mây mù, sự suy giảm bức xạ mặt trời xảy ra còn mạnh hơn.
Một phần đáng kể bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ từ các đám mây, một
phần khác bị các đám mây hấp thụ, phần còn lại truyền đến quả đất như là bức
xạ nhiễu xạ. Tổng các bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ do phản xạ và tán
xạ từ các đám mây, từ các phân tử khí, từ các hạt bụi và phản xạ từ mặt đất (bao
gồm các vật cản như nhà cửa, cây cối, ) được gọi là Albedo của hệ khí quyển
quả đất, và có giá trị vào khoảng 30%.
Tóm lại ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:
Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt
trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển.
Bức xạ Nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các
tia mặt trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán xạ, phản
xạ,
Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là
phụ thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát. Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu
xạ không có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời.
Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70%
toàn bộ bức xạ mặt trời hướng về quả đất.
1.1.4.2. Sự giảm năng lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của
tia sáng qua lớp khí quyển (air mass)
Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi
qua lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 21 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
đường đi của tia trong lớp khí quyển. Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của
mặt trời. Ví dụ, khi mặt trời ở điểm Zenith (ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt
trời khi xuyên qua lớp khí quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đường đi

hơn sau:
m = sec
Z
khi
Z
< 70
0
và
m = cosec khi >30
0
Như vậy, giá trị của “Airmass” m và năng lượng bức xạ trực xạ mặt trời
tương ứng đối với các vị trí mặt trời khác nhau là khác nhau, ví dụ:
- Ở ngoài khí quyển quả đất : m = 0, E = 1 353W/m
2

- Khi mặt trời ở điểm Zenith (đỉnh đầu) : m =1, E = 924,9 W/m
2

Khi góc Zenith
Z
= 60
0
: m = 2, E = 691,2 W/m
2m =
Độ dài của tia trực xạ xuyên qua lớp khí quyển theo phương quan sát
Độ dày của lớp khí quyển theo phương vuông góc với mặt biển
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa

W
(1.2)
Trong đó: m là airmass.
Một công thức khác tổng quát hơn cho cường độ trực xạ khi tia tới vuông
góc với mặt phẳng nằm ngang đã được Majumdar và cộng sự đưa ra là:
25,0
1000
)8507,0()8644,0(1331
Wm
pm
N
xI
W/m
2
(1.3)
Trong đó: p: áp suất ở địa phương quan sát (milibar); m: Air mass; W: độ
dày lượng hơi nước có thể ngưng tụ (cm).
Các công thức trên (1.2) và (1.3) chỉ áp dụng được cho các ngày trong sáng. Z
A
C
B
H
Z
C
A
B
H