Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

PHẠM THỊ THOAN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 3 PHA

Ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

Thái Nguyên - 2020

ii

MỤC LỤC

MỤC LỤC ..........................................................................................................................i

LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................................v

LỜI CẢM ƠN...................................................................................................................vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ...............................................................................................ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ......................................................................x

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

1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................................1

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .......................................................................................2

3. Mục tiêu nghiên cứu. .....................................................................................................2

4. Đối tƣợng nghiên cứu. ...................................................................................................2

5. Phƣơng pháp nghiên cứu ...............................................................................................3

6. Bố cục luận văn..............................................................................................................3

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI ......................4

1.1. Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC) ...............................................................4

1.1.1. Chức năng bộ biến đổi DC-DC................................................................................4

1.1.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách li...........................................................................4

1.1.2.1. Mạch Buck............................................................................................................4

1.1.2.1. Mạch Boost...........................................................................................................5

1.1.2.3. Mạch Buck – Boost...............................................................................................6

1.1.2.4. Mạch Cuk..............................................................................................................7

1.1.3. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly...............................................................................9

1.1.4. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC .............................................................................10

1.1.4.1. Mạch vòng điều khiển điện áp............................................................................10

1.1.4.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện........................................................................11

1.2. BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU SANG XOAY CHIỀU DC-AC (Inverter) ......................11

1.2.1. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều một pha .........................................11

1.2.2. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều ba pha............................................12

1.3. Các phép chuyển đổi.................................................................................................14

1.3.1. Các hệ trục tọa độ ..................................................................................................14

1.3.1.1. Hệ trục tọa độ tự nhiên .......................................................................................14

1.3.1.2. Hệ trục tọa độ cố định αβ....................................................................................16

1.3.1.3. Hệ trục tọa độ quay dq........................................................................................17

1.3.2. Các phép chuyển đổi..............................................................................................17

iii

1.3.2.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha ..................................................................17

1.3.2.2. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha........................................................19

1.4. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation)......................................21

1.4.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM)......................................21

1.4.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM)......................................................................22

1.5. Điều khiển bộ chuyển đổi DC-AC............................................................................23

1.5.1. Bộ điều khiển PI ....................................................................................................24

1.5.2. Bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant)..............................24

1.5.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái..........................................................................25

1.6. Vấn đề hòa nguồn điện với lƣới................................................................................26

1.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ.....................................................................................26

1.6.1.1. Điều kiện về tần số..............................................................................................26

1.6.1.2. Điều kiện về điện áp ...........................................................................................26

1.6.1.3. Điều kiện về pha .................................................................................................27

1.6.2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lƣới......................................................................27

1.7. Kết luận chƣơng 1.....................................................................................................28

CHƢƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI................................................................29

2.1. Năng lƣợng mặt trời..................................................................................................29

2.1.1. Cấu trúc của mặt trời..............................................................................................29

2.1.2. Năng lƣợng mặt trời...............................................................................................30

2.1.3. Phổ bức xạ mặt trời................................................................................................31

2.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất.................................................33

2.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời.............................................................................................33

2.1.4.2. Sự giảm năng lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia sáng qua

lớp khí quyển (air mass). .................................................................................................36

2.1.4.3. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian..............................................37

2.1.4.4. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian ..........................................37

2.2. Khai thác, sử dụng trực tiếp năng lƣợng mặt trời.....................................................38

2.2.1. Thiết bị sấy khô dùng NLMT ................................................................................39

2.2.2. Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng NLMT...............................................................39

2.2.3. Động cơ stirling chạy bằng NLMT........................................................................40

2.2.4. Bếp nấu dùng NLMT.............................................................................................40

2.2.5. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời ................................................41

2.2.6. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT..........................................42

2.2.7. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lƣợng mặt trời .................................................43

iv

2.3. PIN mặt trời ..............................................................................................................43

2.3.1. Khái niệm...............................................................................................................43

2.3.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời ..............................................44

2.4. Hệ thống điện mặt trời ..............................................................................................46

2.4.1. Ý nghĩa hệ thống điện mặt trời ..............................................................................46

2.4.2. Hệ thống điện mặt trời làm việc độc lập................................................................48

2.4.3. Hệ thống điện mặt trời nối lƣới .............................................................................49

2.4.3.1. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................49

2.4.3.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới ...............................................49

2.5. Kết luận chƣơng 2.....................................................................................................50

CHƢƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI

3 PHA ..............................................................................................................................51

3.1. Giới thiệu ..................................................................................................................51

3.2. Cấu trúc hệ thống điện mặt trời 3 pha nối lƣới.........................................................51

3.2.1 Sơ đồ khối...............................................................................................................51

3.2.2. Xây dựng mô hình toán học các khối chức năng...................................................52

3.2.2.1. Mô hình toán máy phát quang điện (Photovoltaic Generator - PVG)................52

3.2.2.2. Mô hình toán học bộ chuyển đổi DC/DC...........................................................53

3.2.2.3. Mô hình toán Bus một chiều (DC Bus) ..............................................................54

3.2.2.4. Mô hình nghịch lƣu nối lƣới 3 pha (Inverter).....................................................54

3.2.2.5. Mô hình lƣới (Grid) ............................................................................................55

3.3. Điều khiển theo dõi điểm làm việc có công suất cực đại .........................................55

3.4. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho biến tần 3 pha nối lƣới57

3.4.1. Nguyên tắc điều khiển công suất ...........................................................................57

3.4.2. Công suất 3 pha trên các hệ qui chiếu khác nhau ..................................................58

3.4.3. Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng.............................59

3.5. Mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha ......................................................61

3.5.1. Sơ đồ số liệu và kịch bản mô phỏng......................................................................61

3.5.2. Kết quả mô phỏng..................................................................................................62

3.5.3. Nhận xét.................................................................................................................66

3.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .........................................................................................67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................................68

1. Kết luận:.......................................................................................................................68

2. Kiến nghị: ....................................................................................................................68

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................69

v

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Thị Thoan

Sinh ngày 01 tháng 09 năm 1984

Học viên lớp cao học CĐK17A - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa -

Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại Khoa Điện tử, Tin học- Trƣờng Cao đẳng Cơ điện và Xây

dựng Bắc Ninh.

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện

mặt trời nối lƣới 3 pha” do PGS.TS Lại Khắc Lãi hƣớng 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 chƣa từng ai công bố trong bất kỳ công trình

nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Bắc Ninh, Ngày tháng năm 2020

Tác giả luận văn

Phạm Thị Thoan

vi

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của

thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu điều khiển công suất hệ

thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc

đến:

Thầy giáo hƣớng dẫn PGS. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn

thành luận văn này.

Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Kỹ thuật điều khiển

và tự động hóa- Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái

Nguyên

đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ trong quá trình nghiên cứu đề tài.

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm, động viên, giúp

đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.

Bắc Ninh, Ngày tháng năm 2020

Tác giả luận văn

Phạm Thị Thoan

vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu Chú thích

1 NLMT Năng lƣợng mặt trời

2 PMT Pin mặt trời

3 BĐK Bộ điều khiển

4 BBĐ Bộ biến đổi

5 DC-DC Bộ biến đổi một chiều- một chiểu

6 DC-AC Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều

7 PV Tế bào quang điện

8 MPPT Maximum Power Point Tracking

9 PWM Pules- With- Modulation

10 CB- PWM Carrier Based Pulse With

11 ZSS Zero sequence signal

12 SVM Space vector Modulation

13 CC Current Control

14 VC Voltage Control

15 VSI Voltage Source Inverter

16 IN Cƣờng độ bức xạ mặt trời (w/m2

)

17 UPV, IPV Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời

18 Igc Dòng quang điện (A)

19 I0 Dòng bão hòa (A)

20 q Điện tích của điện tử; q= 1,6.10-19 (C)

21 K Hằng số Boltzman (J/K)

22 TC Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K)

23 ID, UD Dòng điện (A), điện áp trên diode (V)

24 ISC (Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch của

PV

25 UOC Điện áp hở mạch của Pin mặt trời

26 G Bức xạ mặt trời (Kw/m2

)

viii

27 D Hệ số làm việc

28 Ton Thời gian khóa K mở

29 T Chu kỳ làm việc của khóa

30 fDC Tần số đóng cắt

31 IL1, IL2 Dòng điện của cuộn cảm L1, L2

32 UC1, UC2 Điện áp trên tụ C1, C2

33 tK Thời điểm lấy mẫu

34 PLL Vòng khóa pha