Nghiên cứu bộ nghịch lưu đa bậc 5l anpc ci ứng dụng kết lưới hệ thống điện mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.97 MB, 101 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHAN ĐÌNH TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC 5L-ANPC-CI
ỨNG DỤNG KẾT LƯỚI HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số
: 60.52.50
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Đình Tuấn Anh
MSHV: 11180101
Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1987
Nơi sinh: Tiền Giang
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện
Mã số : 60.52.50
I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC 5L-ANPC-CI ỨNG
DỤNG KẾT LƯỚI HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
Tìm hiểu bộ nghịch lưu 5 bậc Active NPC với cuộn CI. Xây dựng mơ hình mơ phỏng
sử dụng Matlab/Simulink.
-
Tìm hiểu ứng dụng bộ 5L-ANPC-CI vào hệ thống điện PV kết lưới.
-
Mô phỏng đáp ứng hệ thống PV kết lưới dùng ANPC-CI và kết luận.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 16/08/2012
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 30/11/2012
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS.TS. Phan Quốc Dũng
Tp. HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)
Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Phan Quốc Dũng
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS.Phạm Đình Trực
Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS. Lê Minh Phương
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 23 tháng 12 năm 2012
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA
LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết xin cảm ơn Mẹ, gia đình đã là nguồn động viên rất lớn
và là chỗ dựa vững chắc nhất của con trong suốt quá trình học tập.
Kính gửi đến thầy Phan Quốc Dũng lời cảm ơn chân thành và sâu
sắc, cảm ơn thầy đã dành nhiều thời gian, cơng sức, tận tình hƣớng
dẫn, chỉ dạy em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Cảm ơn bạn Nguyễn Thanh Long đã đồng hành trong suốt quá
trình nghiên cứu.
Em xin cảm ơn tất cả quý thầy cô của trƣờng đại học Bách Khoa
TP.HCM nói chung, q thầy cơ của khoa Điện-Điện tử nói riêng đã
tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong q
trình học tập vừa qua.
Tôi xin cảm ơn tất cả.
TP.HCM, tháng 11 / 2012
PHAN ĐÌNH TUẤN ANH
I
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lƣợng ngày càng
tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ nhƣ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và
ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt năng
lƣợng.
Thông thƣờng năng lƣợng từ pin Mặt Trời đƣợc tích trữ lại trong bình nạp
(accqui) rồi sử dụng năng lƣợng trong bình nạp đó để nối lƣới và sinh hoạt. Ƣu điểm của
phƣơng pháp này là điện áp bình nạp cố định, dẫn đến bộ chuyển đổi ra điện áp sử dụng
khá đơn giản. Tuy nhiên, nó có nhƣợc điểm là gây tổn hao lớn khi chuyển đổi năng lƣợng
phải qua 2 khâu- từ pin xuống bình nạp rồi từ bình nạp lên điện áp sử dụng, đồng thời
phải tốn thêm thiết bị tích trữ năng lƣợng nhƣ acquy với giá thành tƣơng đối cao. Bởi
vậy, vấn đề đặt ra là tại sao chúng ta không dùng chính lƣới điện để làm nguồn “tích trữ
năng lƣợng”? Nhƣ vậy, trong lúc sử dụng năng lƣợng từ lƣới điện thì chúng ta cũng đang
gửi năng lƣợng lên trên lƣới điện. Tuy nhiên, pin Mặt Trời là một nguồn năng lƣợng luôn
biến đổi tùy thuộc vào bức xạ nhận đƣợc từ Mặt Trời, dẫn đến việc chuyển đổi năng
lƣợng gặp nhiều khó khăn, yêu cầu bộ chuyển đổi phải có đáp ứng nhanh.
Đề tài này thực hiện theo phƣơng pháp đƣa trực tiếp năng lƣợng từ pin Mặt Trời
lên hệ thống lƣới điện xoay chiều sử dụng bộ nghịch lƣu 5 bậc ANPC-CI (5L-activeneutral-point-clamped with coupled-inductor).
Bộ nghịch lƣu 5L_ANPC_CI là một cấu trúc mới, đƣợc các nhà khoa học nghiên
cứu gần đây, nhằm tăng công suất, chất lƣợng điện áp, giảm tổn hao đóng ngắt của các
khóa điều khiển và tăng dịng ngõ ra.
Mục đích luận văn: khảo sát, tìm hiểu về cấu trúc, giải thuật điều khiển các khóa
đóng ngắt và xây dựng mơ hình mơ phỏng cho bộ nghịch lƣu 5L_ANPC_CI 1 pha và 3
pha. Đồng thời ứng dụng bộ nghịch lƣu 5L_ANPC_CI 3 pha kết lƣới hệ thống pin năng
lƣợng Mặt Trời, tăng công suất pin Mặt Trời đầu vào, đƣa điện áp từ bộ nghịch lƣu qua
bộ lọc hòa vào hệ thống lƣới điện xoay chiều bằng phần mềm mô phỏng Matlab
Simulink.
II
Ý nghĩa đề tài:
Nghiên cứu bộ nghịch lƣu mới 5L_ANPC_CI, điều khiển điện áp nghịch lƣu, tăng
công suất pin Mặt Trời kết lƣới.
Tạo tài liệu tham khảo bộ nghịch lƣu đa bậc 5L_ANPC_CI, đồng thời tạo điều
kiện để phát triển thực nghiệm mơ hình bộ nghịch lƣu này ứng dụng vào kết lƣới với
công suất cao.
III
MỤC LỤC
Lời cảm ơn ....................................................................................................................... I
Giới thiệu luận văn .......................................................................................................... II
Mục lục ......................................................................................................................... IV
Phụ lục hình................................................................................................................... VI
Phụ lục bảng ................................................................................................................... X
Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI .................................................................................................................... 1
1.1.
Nguồn năng lƣợng Mặt Trời: .............................................................................. 1
1.2.
Pin Mặt Trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động: .................................................... 4
1.2.1.
Cấu tạo của pin Mặt Trời: ............................................................................ 4
1.2.2.
i [3]: .................................................... 6
1.3.
Hệ thống nối lƣới:............................................................................................... 8
1.3.1.
Đƣa đƣợc năng lƣợng tái tạo từ pin mặt trời lên lƣới điện: ........................... 8
1.3.2.
Công suất đƣa lên lƣới là cực đại: ................................................................ 8
1.3.3.
Giới thiệu về một số phƣơng pháp nối lƣới: ................................................. 9
Chương 2: GIẢI THUẬT MPPT ................................................................................ 12
2.1.
Sự cần thiết của việc xác định điểm MPPT: ...................................................... 12
2.2.
Bộ biến đổi đảo áp Buck – Boost: ..................................................................... 16
2.3.
Hệ MPPT: ........................................................................................................ 18
2.3.1.
Lý thuyết MPPT: ....................................................................................... 20
2.3.2.
Giải thuật MPPT : ...................................................................................... 21
Chương 3: BỘ NGHỊCH LƯU 5L_ANPC_CI [1] ..................................................... 24
3.1.
Giới thiệu: ........................................................................................................ 24
3.1.1.
Bộ nghịch lƣu 2L cơ bản: ........................................................................... 24
3.1.2.
Bộ nghịch lƣu áp đa bậc: ............................................................................ 26
3.2.
Bộ nghịch lƣu 5L-ANPC-FC 1 pha:.................................................................. 31
3.3.
Bộ nghịch lƣu 5L-ANPC-CI 1 pha: .................................................................. 35
3.4.
Bộ nghịch lƣu 5L-ANPC-CI 3 pha: .................................................................. 42
IV
Chương 4: ỨNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU 5L_ANPC_CI KẾT LƯỚI HỆ
THỐNG PIN MẶT TRỜI ........................................................................................... 59
4.1.
Mơ hình pin năng lƣợng Mặt Trời: ................................................................... 60
4.1.1. Mơ hình tốn của pin Mặt Trời: ..................................................................... 60
4.1.2. Mô phỏng pin Mặt Trời trên Matlab/Simulink: .............................................. 62
4.2.
Bộ BuckBoost IncCond MPPT: ........................................................................ 68
4.3.
Bộ lọc và đồng bộ lƣới điện: ............................................................................. 69
4.3.1. Bộ lọc:........................................................................................................... 69
4.3.2. Đồng bộ lƣới điện: ........................................................................................ 69
4.3.3. Hệ thống nguồn lƣới xoay chiều 3 pha: ......................................................... 72
4.3.4. Điều khiển bộ nghịch lƣu 5L_ANPC_CI: ...................................................... 73
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 86
5.1. Kết luận: .............................................................................................................. 86
5.2. Kiến nghị:............................................................................................................ 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 88
V
PHỤ LỤC HÌNH
Hình 1.1: Khoảng một nửa năng lƣợng của Mặt Trời đến bề mặt Trái đất ........................ 1
.......................................................................................... 2
3
Hình 1.4 : Cấu tạo của pin Mặt Trời ................................................................................ 4
....................................................................................... 5
............................................................................................... 5
............................................................ 6
(E1
Hình 1.10 : Hiện tƣợng quang điện .................................................................................. 7
Hình 1.11 : Mơ hình PV DC/AC AC/AC lƣới .................................................... 9
Hình 1.12: Mơ hình PV DC/AC H-Bridge lƣới................................................. 10
Hình 1.13: Mơ hình PV DC/AC DC/AC lƣới ................................................... 10
Hình 1.14: Mơ hình PV DC/AC lƣới .................................................................... 11
Hình 2.1: Đặc tuyến V-A với sự thay đổi của cƣờng độ chiếu nắng ............................... 13
Hình 2.2: Đặc tuyến V-A và đặc tuyến của các loại tải .................................................. 13
Hình 2.3: Ắc quy và đặc tuyến của nó............................................................................ 14
Hình 2.4: Nạp và xả Ắcquy............................................................................................ 14
Hình 2.5: (a) Bộ Buck-Boost converter ; (b) Khóa ON trong thời gian DT; (c) Khóa OFF
trong thời gian (1-D)T; (d) Các dạng sóng ..................................................... 16
Hình 2.6: Đặc tính tải và pin Mặt Trời ........................................................................... 19
Hình 2.7: Đặc tính U/I theo bức xạ ................................................................................ 19
Hình 2.8: Điểm làm việc dao động ................................................................................ 20
Hình 2.9: Lƣu đồ giải thuật P&O ................................................................................... 21
Hình 2.10: Lƣu đồ giải thuật INC .................................................................................. 22
Hình 3.1: Bộ nghịch lƣu 2L cơ bản. (a) bộ 2L-P. (b) bộ 2L-N. (c) bộ 2L-B ................... 25
VI
Hình 3.2: Bộ chuyển đổi dc-dc giảm áp (buck) 2L đơn hƣớng cổ điển (a) Bộ giảm áp 2LP. (b) Bộ giảm áp 2L-N ................................................................................. 25
Hình 3.3: Cấu trúc của bộ nghịch lƣu áp 3 bậc dạng NPC .............................................. 28
Hình 3.4: Dạng sóng pha, dây của bộ Inverter ............................................................... 29
Hình 3.5: Giản đồ vector khơng gian điện áp ................................................................. 29
Hình 3.6: Bộ nghịch lƣu 3 bậc. (a) Bộ 3L-P. (b) Bộ 3L-N. (c) Bộ 3L-B. (d) Điều khiển
tần số cao HF của bộ 3L-B ............................................................................ 30
Hình 3.7: Mạch cơng suất của bộ nghịch lƣu 5L-ANPC-FC 1 pha ................................. 31
Hình 3.8: Mơ hình tạo xung đóng ngắt cho các khóa ..................................................... 32
Hình 3.9: Bộ nghịch lƣu 5L-ANPC-FC 1 pha mơ phỏng bằng Matlab ........................... 33
Hình 3.10: Điện áp mẫu, sóng mang .............................................................................. 34
Hình 3.11: Tín hiệu xung các khóa từ S1 đến S4 (điện áp cao (HV) ................................ 34
Hình 3.12: Điện áp ngõ ra .............................................................................................. 34
Hình 3.13: Bộ nghịch lƣu 1 pha 5L-ANPC-CI ............................................................... 35
Hình 3.14: Phƣơng pháp PWM cho bộ 5L-ANPC-CI. (a) Điện áp mẫu và sóng mang. (b)
Xung điều khiển cổng. (c) Điện áp ngõ ra. (d) Điều chế logic ........................ 36
Hình 3.15: Mạch từ tƣơng đƣơng của bộ 5L-ANPC-CI ................................................. 37
Hình 3.16: Mơ hình tạo xung đóng ngắt của bộ 5L_ANPC_CI 1 pha ............................. 39
Hình 3.17: Bộ nghịch lƣu 5L-ANPC-CI 1 pha mơ phỏng bằng Matlab .......................... 39
Hình 3.18: Điện áp mẫu, sóng mang .............................................................................. 40
Hình 3.19: Tín hiệu xung các khóa từ S1 đến S4 (điện áp cao (HV))............................... 40
Hình 3.20: Dạng đóng ngắt của khóa S5 ......................................................................... 40
Hình 3.21: Dạng đóng ngắt của khóa S7 ......................................................................... 40
Hình 3.22: Điện áp ngõ ra .............................................................................................. 41
Hình 3.23: Bộ chuyển đổi 3 pha 5L-ANPC-CI............................................................... 42
Hình 3.24: Trạng thái tơ pơ tƣơng đƣơng của bộ 5L-ANPC-CI ...................................... 45
Hình 3.25: Bộ nghịch lƣu 5L-ANPC-CI 3 pha mô phỏng bằng Matlab .......................... 46
Hình 3.26: Mơ hình tạo ra tín hiệu g .............................................................................. 46
Hình 3.27: Mơ hình tạo ra tín hiệu điều khiển cho các khóa đóng ngắt .......................... 47
VII
Hình 3.28: Khối chức năng funtion1 tạo ra điện áp mẫu vrefk ......................................... 47
Hình 3.29: Mơ hình thêm common mode offset vào điện áp mẫu 3 pha vrA, vrB và vrC
(khối funtion1)............................................................................................... 48
Hình 3.30: Mơ hình điện áp mẫu cuối cùng vrefk , bao gồm độ lệch thêm vào của điện áp
mẫu chuyển đổi
vrk"
(khối funtion1) .............................................................. 48
Hình 3.31: Mơ hình tạo ra xung kích cho các khóa của 3 pha (khối funtion2) ................ 49
Hình 3.32: Mơ hình tạo ra xung kích cho các khóa của pha A (khối Subsystem) ........... 49
Hình 3.33: Tạo tín hiệu đóng ngắt cho các khóa ............................................................ 50
Hình 3.34: Điện áp dây VAB ngõ ra ................................................................................ 51
Hình 3.35: Điện áp common mode VNO ......................................................................... 51
Hình 3.36: Điện áp pha ngõ ra VAN ................................................................................ 52
Hình 3.37: Dịng điện iA của pha A và dòng i1A trong 1 cuộn dây của pha A.................. 52
Hình 3.38: Phân tích FFT cho điện áp pha ngõ ra VAN khi m = 1 ................................... 53
Hình 3.39: Phân tích áp pha ngõ ra VAN và dòng qua pha A, dòng qua mỗi cuộn dây .... 53
Hình 3.40: Phân tích FFT cho điện áp pha ngõ ra VAN khi m = 0,1 ................................ 57
Hình 3.41: Quan hệ giữa m và áp pha hiệu dụng V ........................................................ 58
Hình 4.1: Mơ hình hệ thống pin Mặt Trời kết lƣới sử dụng bộ nghịch lƣu 2 bậc ............ 59
Hình 4.2: Mơ hình ứng dụng hệ thống pin Mặt Trời kết lƣới xoay chiều sử dụng bộ
nghịch lƣu 5L_ANPC_CI .............................................................................. 60
Hình 4.3: Mạch điện tƣơng đƣơng của một tế bào quang điện ....................................... 61
Hình 4.4: Mơ hình mơ phỏng pin Mặt Trời bằng Matlab................................................ 64
Hình 4.5: Mơ hình khối Photovoltaic ............................................................................. 65
Hình 4.6: Đặc tuyến pin Mặt Trời I_V; P_V .................................................................. 66
Hình 4.7: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời nối tiếp .................................................................. 66
Hình 4.8: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời song song .............................................................. 67
Hình 4.9: Đặc tuyến 4bộ (8 pin Mặt Trời) song song nối tiếp ........................................ 67
Hình 4.10: Mơ hình Buck-Boost sử dụng giải thuật IncCond ......................................... 68
Hình 4.11: Khóa đóng ngắt điều khiển bộ Buck-Boost .................................................. 68
VIII
Hình 4.12: Mơ hình bộ lọc 3 pha L ................................................................................ 69
Hình 4.13: Phát hiện điểm khơng ................................................................................... 69
Hình 4.14: Sơ đồ các khối cơ bản của PLL .................................................................... 70
Hình 4.15: Khối hòa đồng bộ lƣới PLL – Data Process đƣợc sử dụng trong mơ hình mơ
phỏng ............................................................................................................ 71
Hình 4.16: Mơ hình chuyển đổi tín hiệu abc sang dq của khối PLL – Data Process ....... 71
Hình 4.17: Hệ thống nguồn lƣới xoay chiều 3 pha ......................................................... 72
Hình 4.18: Mơ hình tạo điện áp xoay chiều sin cho từng pha ......................................... 72
Hình 4.19: Khối Controller tạo tín hiệu điều khiển các khóa .......................................... 73
Hình 4.20: Áp điều khiển đƣợc tạo ra bằng phƣơng pháp điều khiển vectơ dòng điện
trong hệ tọa độ quay. ..................................................................................... 73
Hình 4.21: Khối Coupling current control xác định giá trị Vd, Vq. ................................ 74
Hình 4.22: Dạng sóng Va_Ia; I_filter; I_Grid_supply; và Udc ....................................... 75
Hình 4.23: Điện áp pha lƣới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (80 pin) ............................... 76
Hình 4.24: Điện áp sau bộ nghịch lƣu (80 pin)............................................................... 76
Hình 4.25: Dạng dịng điện 3 pha sau bộ lọc (80 pin) .................................................... 77
Hình 4.26: Dạng dịng điện 3 pha của lƣới (80 pin)........................................................ 77
Hình 4.27: Dạng sóng Va_Ia; I_filter; I_Grid_supply; và Udc (160 pin) ........................ 79
Hình 4.28: Điện áp pha lƣới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin) ............................. 79
Hình 4.29: Điện áp sau bộ nghịch lƣu (160 pin) ............................................................. 80
Hình 4.30: Phân tích phổ của điện áp sau bộ nghịch lƣu ................................................ 80
Hình 4.31: Dạng dịng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin)................................................... 81
Hình 4.32: Dạng dịng điện 3 pha của lƣới (160 pin)...................................................... 81
Hình 4.33: Điện áp pha lƣới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, G = 0,5) ................ 81
Hình 4.34: Điện áp sau bộ nghịch lƣu (160 pin, G = 0,5) ............................................... 82
Hình 4.35: Phân tích phổ của điện áp sau bộ nghịch lƣu ................................................ 82
Hình 4.36: Dạng dịng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, G = 0,5) ..................................... 82
Hình 4.37: Dạng dịng điện 3 pha của lƣới (160 pin, G = 0,5) ........................................ 83
Hình 4.38: Điện áp pha lƣới Va và dịng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, R = 20Ω) .............. 83
IX
Hình 4.39: Điện áp sau bộ nghịch lƣu (160 pin, R = 20Ω) ............................................. 83
Hình 4.40: Phân tích phổ của điện áp sau bộ nghịch lƣu ................................................ 84
Hình 4.41: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, R = 20Ω) ................................... 84
Hình 4.42: Dạng dịng điện 3 pha của lƣới (160 pin, R = 20Ω) ...................................... 84
PHỤ LỤC BẢNG
Bảng 2.1: MPPT so sánh với các tải không sử dụng MPPT ............................................ 15
Bảng 3.1: Trạng thái đóng ngắt của các khóa IGBT ....................................................... 28
Bảng 3.2: Trạng thái đóng ngắt của bộ 5L-ANPC-CI khi vrefk > 0 .................................. 43
Bảng 3.3: Trạng thái đóng ngắt của bộ 5L-ANPC-CI khi vrefk < 0 .................................. 44
Bảng 3.4: Phân tích giá trị áp pha, tỉ lệ THD tổng và các sóng hài bậc cao .................... 58
Bảng 4.1: Thông số pin Mặt Trời SX3200 của BP Solar ................................................ 64
X
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
1.1.
Nguồn năng lượng Mặt Trời:
Trái đất nhận đƣợc 174 petawatts (1PW = 1015 W)[10] của bức xạ Mặt Trời đến ở
phía trên khơng khí. Khoảng 30% đƣợc phản xạ trở lại khơng gian trong khi phần còn lại
đƣợc hấp thụ bởi các đám mây, đại dƣơng và đất.
Hình 1.1: Khoảng một nửa năng lƣợng của Mặt Trời đến bề mặt Trái đất
Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời đƣợc
xem là nguồn năng lƣợng chính cho Trái Đất. Hằng số năng lƣợng Mặt Trời đƣợc tính
bằng cơng suất của lƣợng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái
Đất, bằng khoảng 1370 W/m2. Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí
quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới đƣợc bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m² năng
lƣợng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng [3].
1
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Đặc trƣng của bức xạ Mặt Trời truyền trong khơng gian bên ngồi Mặt Trời là một
phổ rộng trong đó cực đại của cƣờng độ bức xạ nằm trong dải 10-1 – 10 µm và hầu nhƣ
một nửa tổng năng lƣợng Mặt Trời tập trung trong khoảng bƣớc sóng 0,38 – 0,78 µm đó
là vùng nhìn thấy của phổ.
Chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời gọi là bức xạ trực xạ.Tổng hợp các tia trực xạ
và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngồi lớp khí quyển, tính đối với
1m2 bề mặt đặt vng góc với tia bức xạ, đƣợc tính theo cơng thức:
q = D T .C0(T/100)4
(1.1)
Trong đó: D T : hệ số góc bức xạ giửa Trái Đất và Mặt Trời.
D T = 2 /4
(1.2)
: góc nhìn Mặt Trời, 32'
C0 = 5,67 W/m2.K4 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
T 57620 –
).
2
2.3,14.32
4
360.60
5762
2
.5,67.
q
1353 W/m .
4
100
Do khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời thay đổi theo mùa trong năm nên β
cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhƣng độ thay đổi không lớn lắm nên có thể xem q
là khơng đổi và đƣợc gọi là hằng số Mặt Trời.
2
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Các bức xạ với bƣớc sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ
tƣơng tác với các phân tử khí và các hạt bụi của khơng khí nhƣng khơng phá vỡ các liên
kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hƣớng và một số photon
quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bƣớc
sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi
đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát đƣợc ở
những độ cao khơng lớn. Các giọt nƣớc cũng tán xạ rất mạnh bức xạ Mặt Trời. Bức xạ
Mặt Trời khi đi qua khí quyển cịn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của
các phần tử hơi nƣớc, khí cacbơnic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ
thuộc vào bƣớc sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.
Phần năng lƣợng bức xạ Mặt Trời truyền tới bề mặt Trái Đất trong những ngày
quang đãng (khơng có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2.
1.3
l
3
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
1.2.
Pin Mặt Trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
.
Pin năng lƣợng Mặt Trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán
dẫn chứa lƣợng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời có khả năng
tạo ra dịng điện sử dụng đƣợc. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
1.2.1. Cấu tạo của pin Mặt Trời:
Cấu tạo của pin Mặt Trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi
trực tiếp năng lƣợng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên
trong.
Hình 1.4: Cấu tạo của pin Mặt Trời
Hiện nay thì vật liệu chủ yếu cho pin Mặt Trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các
silic tinh thể.
Silic thuộc nhóm IV, tức có 4 electron lớp ngồi cùng. Silic có thể kết hợp với
silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon: đa thù hình (khơng có
trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều).
Pin Mặt Trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon.
4
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém.để tạo ra silic có tính
dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lƣợng nhỏ các ngun tử nhóm III (nhơm hay gali
để tạo ra bán dẫn loại p) hay V (photpho hay asen để tạo ra bán dẫn loại n) trong bảng
tuần hoàn hóa học. Lƣu ý rằng cả hai loại n và p có năng lƣợng trung hịa, tức là chúng có
cùng năng lƣợng dƣơng và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh,
tƣơng tự ngƣợc lại với loại p.
1000W/m2
25 -:- 30mA/cm2.
-
(CuCds), galium arsenit (GaAs)…
:
5
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
[3]
1.2.2.
:
1.7
1.8
(E1
lƣợng tử ánh sáng (photon) mang năng lƣợng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh
sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
6
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng:
hv = E1 – E2
(1.3)
1.9
Phƣơng trình hiệu ứng lƣợng tử:
eV+hv→ e- + h+
(1.4)
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lƣợng của photon và chuyển từ vùng hoá
trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là:
hv > Eg = EC – EV
(1.5)
Suy ra bƣớc sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:
λC = hc/( EC – EV)
(1.6)
Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lƣợng photon
hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một
điện thế. Hiện tƣợng đó gọi là hiện tƣợng quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời chính là hiện tƣợng quang điện xảy ra trên
lớp tiếp xúc p-n.
Hình 1.10: Hiện tƣợng quang điện
Một photon chỉ cần có năng lƣợng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron
lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của Mặt Trời thƣờng tƣơng đƣơng 6000°K, vì
7
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
thế nên phần lớn năng lƣợng Mặt Trời đều đƣợc hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng
lƣợng Mặt Trời chuyển đổi thành năng lƣợng nhiệt nhiều hơn là năng lƣợng điện sử dụng
đƣợc.
1.3.
Hệ thống nối lưới:
1.3.1. Đưa được năng lượng tái tạo từ pin mặt trời lên lưới điện:
Các điều kiện để hòa lƣới một hệ thống điện.
Cùng biên độ điện áp.
Cùng tần số.
Cùng pha.
Đối với lƣới 3 pha thì phải đúng thứ tự pha.
Lƣới điện dân dụng của Việt Nam là 220VAC sin tần số 50Hz.
Nhƣ vậy yêu cầu đặt ra của bộ chuyển đổi là tạo đƣợc điện áp hoặc dịng điện hình sin
với u cầu:
Biên độ điện áp >= 380V.
Tần số 50Hz
Năng lƣợng từ pin Mặt Trời đƣa ra dƣới dạng điện thấp và là áp một chiều. Nhƣ
vậy để tạo đƣợc điện áo theo u cầu trên thì cần phải có 2 bộ chuyển đổi.
Bô chuyển đổi điện áp DC thấp lên điện áp DC cao.
Bộ chuyển đổi từ điện áp DC qua điện áp AC.
Nếu đã tạo ra đƣợc điện áp nhƣ trên thì vấn đề bây giờ chỉ là phát hiện đƣợc độ
lệch pha giữa 2 hệ thống điện để thực hiện hịa lƣới đồng bộ.
1.3.2. Cơng suất đưa lên lưới là cực đại:
Khi đã đƣa đƣợc công suất lên lƣới rồi thì vấn đề đặt ra bây giờ là làm sao để cơng
suất đƣa lên là cực đại? Vì ứng với mỗi điều kiện chiếu sáng khác nhau thì công suất cực
đại của pin năng lƣợng Mặt Trời lại khác nhau, vậy vấn đề đặt ra là phải có một thuật
tốn để tìm điểm cực đại này, thuật tốn này gọi là MPPT (Maximun Power Point
Tracking). Nhƣ vậy cần phải có thêm bộ điều khiển tính tốn giải thuật MPPT để tìm
điểm cực đại.
8
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Từ các phân tích trên, các thành phần cơ bản của mơ hình.
Bộ chuyển đổi DC/DC(có thể khơng có).
Bộ chuyển đổi DC/AC.
Bộ phát hiện góc pha của lƣới điện.
Bộ điều khiển việc hịa lƣới.
Bộ tính tốn và tìm điểm cơng suất cực đại(MPPT).
1.3.3. Giới thiệu về một số phương pháp nối lưới:
AC/AC
DC/AC
1.3.3.1. Phương pháp 1:
Hình 1.11: Mơ hình PV DC/AC AC/AC lƣới
Trong mơ hình này điện áp từ pin Mặt Trời đƣợc biến đổi trực tiếp thành điện AC
50HZ sau đó đƣa qua biến áp để hịa vào lƣới điện.
Ƣu điểm:
Dễ dàng thực hiện.
Giá thành rẻ.
Cách ly lƣới điện.
Chấp nhận những sai lệch nhỏ của lƣới điện.
Nhƣợc điểm:
Tổn hao trên máy biến áp lớn >= 20% do đó hiệu suất khơng đƣợc cao.
Mơ hình cồng kềnh,nặng.
9
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
H-Bridge
DC/AC
1.3.3.2. Phương pháp 2:
Hình 1.12: Mơ hình PV DC/AC H-Bridge lƣới
Trong mơ hình này điện áp từ pin Mặt Trời đƣợc biến đổi trực tiếp thành điện AC
50HZ có điện áp bằng điện áp lƣới nhƣng là bán chu kỳ, tức chỉ có một chu kỳ dƣơng. Để
có đƣợc tồn kỳ, cần một bộ khóa đảo chiều trƣớc khi hịa lƣới.
Ƣu điểm:
Hiệu suất đạt đƣợc cao (khoảng 95%-98%).
Thích hợp với những mơ hình pin năng lƣợng Mặt Trời cơng suất nhỏ (vài
KW), điện áp thấp.
Nhƣợc điểm:
Khó khăn khi thực hiện bộ DC/AC.
Cần nhiều khóa đóng cắt dẫn đến tổn hao đóng cắt và truyền dẫn tăng.
DC/AC
DC/DC
1.3.3.3. Phương pháp 3:
Hình 1.13: Mơ hình PV DC/AC DC/AC lƣới
Trong mơ hình này điện áp từ pin Mặt Trời đƣợc biến đổi thành điện áp DC cao để
đƣa vào bộ chuyển đổi DC/AC rồi đƣa lên lƣới điện.
Ƣu điểm:
Hiệu suất đạt đƣợc cao(khoảng 95%-98%).
10
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Thích hợp với những mơ hình pin năng lƣợng Mặt Trời cơng suất nhỏ(vài KW),
điện áp thấp.
Nhƣợc điểm:
Khó khăn khi thiết kế bộ DC/DC.
Cần nhiều khóa đóng cắt dẫn đến tổn hao đóng cắt và truyền dẫn tăng.
1.3.3.4. Phương pháp 4:
Hình 1.14: Mơ hình PV DC/AC lƣới
Trong mơ hình này điện áp từ pin năng lƣợng mặt trời đƣợc đƣa trực tiếp lên lƣới
điện thông qua bộ chuyển đổi DC/AC bằng không cần qua bộ chuyển đổi DC/DC.
Ƣu điểm:
Hiệu suất đạt đƣợc cao.
Dễ dàng thực hiện.
Thích hợp với các mơ hình có cơng suất lớn.
Nhƣợc điểm:
Tính ổn định không cao, do năng lƣợng lấy trực tiếp từ pin Mặt Trời ra có điện
áp khơng ổn định.
Khơng cách ly áp giữa lƣới điện và pin năng lƣợng Mặt Trời.
Yêu cẩu áp đầu ra của pin Mặt Trời phải lớn hơn áp của lƣới điện.
11
Chƣơng 2: GIẢI THUẬT MPPT
Chương 2: GIẢI THUẬT MPPT
2.1.
Sự cần thiết của việc xác định điểm MPPT:
Một vấn đề rất quan trọng trong khi làm việc với năng lƣợng mặt trời đó là phải
tận dụng tối đa nguồn năng lƣợng phát ra từ pin quang điện, do đó chúng ta sẽ tiến hành
nghiên cứu và khảo sát tại điểm công suất phát ra cực đại.
Vì nhiệt độ khơng gian xung quanh và cƣờng độ chiếu sáng thƣờng xuyên thay
đổi. Điều đó có nghĩa là đặc tuyến PV thƣờng xuyên thay đổi và điểm làm việc cho tải
bất kỳ cũng thay đổi. Nhà sản xuất cung cấp đƣờng cong I-V cho mỗi PV. Hầu hết các
đặc tuyến PV thì cƣờng độ dịng điện Isc ln ln tỉ lệ độ chiếu nắng. Nghĩa là khi
cƣờng độ chiếu sáng thay đổi thì dịng Isc cũng thay đổi theo tỉ lệ [6]:
I scI I sc1 Sun
Insolation
Insolation1 sun
(2.1)
IscI : Dòng ngắn mạch tại vị trí cƣờng độ nắng bất kỳ
Isc1-Sun : Dịng ngắn mạch tại full Sun (1000W/m2)
Insolation: Cƣờng độ chiếu nắng bất kỳ
Insolation1-sun: Cƣờng độ chiếu nắng tại full sun
Nhƣ vậy với mỗi đặc tính tải khơng đổi ( I = (1/R)V ) khi cƣờng độ chiếu sáng
thay đổi thì điểm làm việc cũng thay đổi mà tại đó cơng suất sẽ không đạt đƣợc hiệu suất
cao nhất. Để đạt đƣợc hiệu suất cao nhất thì ta phải điều chỉnh đặc tuyến I-V của PV
thông qua bộ MPPT để đạt đƣợc điểm làm việc cực đại nghĩa là (Ipv.Vpv )max = I.V
12
