Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của nhà máy điện mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LƯƠNG TRỌNG VŨ

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP

CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số : 8520201

Người hướng dẫn: TS. Lê Thái Hiệp

e

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của

riêng tôi.

Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã

công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự

tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn

của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên

cứu nào khác.

Tác giả luận văn

Lương Trọng Vũ

e

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU........................................................................................... 1

1. Lý do chọn đề tài....................................................................................... 1

2. Nội dung và mục đích nghiên cứu ............................................................ 2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................. 3

4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 3

5. Cấu trúc luận văn ...................................................................................... 3

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI........................ 4

1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................. 4

1.1.1. Giới thiệu năng lượng mặt trời.............................................. 4

1.1.2. Vai trò của năng lượng mặt trời ............................................ 5

1.1.3. Bức xạ mặt trời...................................................................... 5

1.1.4. Tính toán năng lượng bức xạ mặt trời................................. 10

1.2. PIN MẶT TRỜI – CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ .............................. 17

1.2.1. Cấu tạo pin mặt trời............................................................. 18

1.2.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................... 19

1.2.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ...................................... 22

1.2.4. Ứng dụng............................................................................. 26

e

1.3. MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN

NĂNG ............................................................................................................. 30

1.3.1. Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời cấp điện độc lập .... 31

1.3.2. Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa năng lượng mặt trời

và các nguồn năng lượng khác ................................................................ 32

1.3.3. Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới............ 33

1.4. NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI............................................................ 36

1.4.1. Tổng quan về các nhà máy điện mặt trời trên thế giới và Việt

Nam.......................................................................................................... 36

1.4.2. Cấu trúc phần điện của nhà máy điện mặt trời nối lưới quốc

gia............................................................................................................. 39

1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1....................................................... 42

Chương 2. CÁC BỘ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG NHÀ

MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI............................................................... 43

2.1. CẤU TRÚC MẠCH ĐỘNG LỰC....................................................... 43

2.2. BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC................................................................. 43

2.2.1. Bộ chuyển đổi Boost ........................................................... 44

2.2.2. Bộ chuyển đổi Buck ............................................................ 47

2.2.3. Bộ chuyển đổi Buck - Boost ............................................... 50

2.3. NGHỊCH LƯU..................................................................................... 53

2.3.1. Nghịch lưu một pha............................................................. 54

2.3.2. Nghịch lưu ba pha ............................................................... 56

2.4. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PWM ................................................... 59

2.5. NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN ....................... 61

e

2.6. CÁC CẤU TRÚC HỆ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN MẶT TRỜI THÀNH

ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA ......................................................................... 68

2.6.1. Cấu trúc hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều

3 pha dạng 1............................................................................................. 68

2.6.2. Cấu trúc hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều

3 pha dạng 2............................................................................................. 69

2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................... 70

Chương 3. PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP CỦA NHÀ

MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI............................................................... 71

3.1. MÔ HÌNH NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI ......................................... 71

3.1.1. Hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha

dạng 1....................................................................................................... 71

3.1.2. Hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha

dạng 2....................................................................................................... 72

3.2. MÔ HÌNH PIN MẶT TRỜI................................................................. 73

3.3. MÔ HÌNH BỘ CHUYỂN ĐỔI BOOST.............................................. 74

3.4. MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU............................................................ 76

3.4.1. Sơ đồ bộ nghịch lưu ............................................................ 76

3.4.2. Vòng khóa pha..................................................................... 77

3.5. KHÂU ĐIỀU KHIỂN PHÁT XUNG.................................................. 80

3.5.1. Mô hình theo phương pháp điều chế PWM ........................ 80

3.5.2. Mô hình theo phương pháp điều chế vector không gian..... 85

3.6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI................... 86

3.6.1. Kết quả mô phỏng nhà máy điện mặt trời với hệ chuyển đổi

sang điện xoay chiều 3 pha dạng 1.......................................................... 87

e

3.6.2. Kết quả mô phỏng nhà máy điện mặt trời với hệ chuyển đổi

sang điện xoay chiều 3 pha dạng 2.......................................................... 88

3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................... 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 93

1. Kết luận. .................................................................................................. 93

2. Kiến nghị................................................................................................. 93

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................... 94

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

e

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

* Tên tiếng việt.

PV: Pin năng lượng mặt trời.

PMT: Pin mặt trời.

NLMT: Năng lượng mặt trời.

NLTT: Năng lượng tái tạo.

DC-DC: Bộ biến đổi một chiều – một chiều.

DC-AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu).

PLL: Vòng khóa pha

* Tên tiếng anh.

MPPT: Maximum power pointtacking

PWM: Pulse width modulation

FACTS: flexible ac transmission system

SVC: static-var compensators

e

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. 1 Dải bức xạ điện từ............................................................................. 6

Hình 1. 2 Góc nhìn mặt trời ............................................................................. 7

Hình 1. 3 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của

Trái đất .............................................................................................................. 8

Hình 1. 4 Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm............................ 9

Hình 1. 5 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng

nghiêng............................................................................................................ 12

Hình 1. 6 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuyếch tán. ....................... 15

Hình 1. 7 Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng .................................... 16

Hình 1. 8 Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng......................... 17

Hình 1. 9 Cấu tạo của pin mặt trời .................................................................. 18

Hình 1. 10 Tế bào pin mặt trời cơ bản............................................................. 18

Hình 1. 11 Các loại cấu trúc pin mặt trời........................................................ 19

Hình 1. 12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời........................................... 20

Hình 1. 13 Hệ thống 2 mức năng lượng (E1<E2)........................................... 20

Hình 1. 14 Các vùng năng lượng .................................................................... 21

Hình 1. 15 Hiện tượng quang điện trên lớp bán dẫn...................................... 21

Hình 1. 16 Đường đặc tính làm việc U & I của pin mặt trời ......................... 23

Hình 1. 17 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời [14]...................................... 23

Hình 1. 18 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời ......................... 25

Hình 1. 19 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời ....................... 25

Hình 1. 20 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời............................ 26

Hình 1. 21 Ghép nối tiếp hai tấm pin mặt trời (a) và đường đặc trưng UA của

các tấm pin và của cả hệ (b)............................................................................ 27

Hình 1. 22 Ghép song song hai tấm pin mặt trời (a)...................................... 28

e

Hình 1. 23 Điốt nối song song với tấm pin để bảo vệ tấm pin & dàn pin mặt

trời. .................................................................................................................. 30

Hình 1. 24 Sơ đồ điển hình của hệ thống năng lượng mặt trời độc lập. ......... 31

Hình 1. 25 Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa năng lượng mặt trời -

Diesel............................................................................................................... 32

Hình 1. 26 Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa năng lượng mặt trời - gió￾Diesel............................................................................................................... 32

Hình 1. 27 Sơ đồ điển hình hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới không dự

trữ .................................................................................................................... 33

Hình 1. 28 Sơ đồ minh họa hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới có dự

trữ .................................................................................................................... 35

Hình 1. 29 Sơ đồ phần điện nhà máy điện mặt trời. ...................................... 39

Hình 1. 30 Sơ đồ nối điện chính cụm nghịch lưu trong nhà máy điện mặt trời

......................................................................................................................... 40

Hình 1. 31 Sơ đồ nối điện chính trạm phân phối trong nhà máy điện mặt trời

......................................................................................................................... 41

Hình 2. 1 Sơ đồ mạch động lực hệ pin mặt trời nối lưới. ............................... 43

Hình 2. 2 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost ............................................ 44

Hình 2. 3 Hai chế độ của bộ chuyển đổi Boost phụ thuộc trạng thái khóa S . 44

Hình 2. 4 Biểu đồ trạng thái đóng cắt, dòng áp của bộ boost......................... 45

Hình 2. 5 Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck....................................................... 47

Hình 2. 6 Hai chế độ của bộ chuyển đổi Buck phụ thuộc trạng thái khóa S .. 48

Hình 2. 7 Biểu đồ trạng thái đóng cắt, dòng áp của bộ Buck. ........................ 48

Hình 2. 8 Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck....................................................... 50

Hình 2. 9 Hai trạng thái hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost ....................... 51

e

Hình 2. 10 Dạng sóng dòng và áp trong hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost

trong chế độ liên tục........................................................................................ 51

Hình 2. 11 Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha....................................................... 55

Hình 2. 12 Đồ thị dòng áp trong mạch nghịch lưu cầu một pha..................... 55

Hình 2. 13 Sơ đồ nghịch lưu ba pha................................................................ 56

Hình 2. 14 Luật điều khiển các Tirsto............................................................. 57

Hình 2. 15 Điện áp trên tải mạch nghịch lưu.................................................. 58

Hình 2. 16 Phương pháp điều chế hai cực: Sơ cấp biến áp luôn nhậnUDC hoặc

- UDC ................................................................................................................ 59

Hình 2. 17 Phương pháp điều chế đơn cực: Tùy theo nữa chu kỳ. Sơ cấp biến

áp chỉ nhận 1 trong 2 giá trị ± UDC hoặc 0 ...................................................... 60

Hình 2. 18 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu áp ba pha..................................... 61

Hình 2. 19 Trạng thái đóng cắt các bộ nghịch lưu.......................................... 61

Hình 2. 20 Biểu diễn vector không gian trong hệ tọa độ x - y........................ 63

Hình 2. 21 Vector điện áp U1 trên tọa độ α -β ................................................ 63

Hình 2. 22 Vector điện áp U1 U6 trên giản đồ α -β................................... 64

Hình 2. 23 U7 & U0 ......................................................................................... 64

Hình 2. 24 Vector VS trên hệ trục α –β............................................................ 65

Hình 2. 25 Điện áp ba pha ngõ ra trong miền thời gian tương ứng................ 65

Hình 2. 26 VS ở sector 1 .................................................................................. 66

Hình 2. 27 Cấu trúc hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha

dạng 1. ............................................................................................................. 69

Hình 2. 28 Cấu trúc hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha

dạng 2. ............................................................................................................. 69

Hình 3. 1 Sơ đồ mô phỏng nhà máy điện mặt trời nối lưới. ........................... 71

Hình 3. 2 Hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều 3 pha dạng 1.. 71

e