Tài liệu Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qz trong hệ thống pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHAN THỊ THANH VÂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- PHAN THỊ THANH VÂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- PHAN THỊ THANH VÂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Kim Ánh LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Phan Thị Thanh Vân MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa................................................................................................................... Lời cam đoan .................................................................................................................... Mục lục ............................................................................................................................. Tóm tắt luận văn .............................................................................................................. Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ......................................................................... Danh mục các bảng ......................................................................................................... Danh mục các hình .......................................................................................................... MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 Chương 1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ........... 4 1.1. Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời .................................................. 4 1.2. Giới thiệu pin mặt trời ..................................................................................... 5 1.2.1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ......................................................... 6 1.2.2. Cách ghép nối các tấm pin mặt trời........................................................ 9 1.3. Các bộ biến đổi trong hệ thống pin năng lượng mặt trời ........................... 10 1.3.1. Bộ biến đổi DC/DC ................................................................................ 10 1.3.2. Bộ biến đổi DC/AC ................................................................................ 13 1.4. Phương pháp tìm điểm làm việc công suất cực đại (MPPT) ..................... 14 1.5. Kết luận ........................................................................................................... 18 Chương 2 - NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ .................................................................. 19 2.1. Giới thiệu nghịch lưu ..................................................................................... 19 2.2. Cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ ..................................................................... 21 2.3. Xây dựng mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ .............................. 22 2.4. Giới thiệu phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ ........................ 25 2.5. Kết luận ........................................................................................................... 26 Chương 3 - XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ ...................................................................................... 27 3.1. Giới thiệu phương pháp điều khiển dự báo ................................................ 27 3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ .......... 31 3.3. Kết luận ........................................................................................................... 37 Chương 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...................... 38 4.1. Mô hình hóa hệ thống .................................................................................... 38 4.2. Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả...................................................... 38 4.2.1. Mô phỏng hệ thống trên Matlab/simulink ........................................... 38 4.2.2. Đánh giá kết quả ................................................................................... 39 4.3. Kết luận ........................................................................................................... 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................. 53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) ................................. 56 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 57 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Học viên: Phan Thị Thanh Vân Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn này trình bày việc thiết kế bộ điều khiển dự báo (MPC) cho cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ (Quasi Z source inverter - qZSI) sử dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời (Photovoltaic system - PV). So với nghịch lưu áp truyền thống, giải pháp qZSI cho thấy hữu ích hơn nhờ vào khả năng nâng cao điện áp một chiều đầu vào và khắc phục được hiện tượng ngắn mạch xảy ra trong các khóa bán dẫn. Bộ điều khiển PI thường được áp dụng cho qZSI. Tuy nhiên, nó có đặc tính động học chậm và chất lượng phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng điện phía trong. Một nhược điểm khác của phương pháp này là sự tồn tại của đặc điểm pha không cực tiểu ở phía cấu trúc một chiều. Điều này dẫn đến hiện tượng không ổn định cho toàn bộ hệ thống. Bộ điều khiển dự báo theo mô hình với số trạng thái hữu hạn (Finite control set model predictive control - FCS-MPC) có các ưu điểm như cấu trúc đơn giản (không có cấu trúc điều khiển nối tầng và khối điều chế) và dễ dàng áp dụng với hệ thống phi tuyến và các ràng buộc. Trong nghiên cứu này, hàm mục tiêu của qZSI bao gồm dòng điện của tải, của cuộn cảm và điện áp trên tụ điện. Sau quá trình tối ưu hóa hàm mục tiêu, trạng thái chuyển mạch tốt nhất được điều khiển đóng cắt các khóa bán dẫn. Để xác nhận tính hiệu quả và khả thi của phương pháp đề xuất, các phân tích được khảo sát bằng phần mềm Matlab/Simulink với các điều kiện hoạt động khác nhau của hệ thống. Từ khóa – Pin mặt trời; nghịch lưu nguồn qZ (qZSI); điều khiển dự báo theo mô hình (MPC); điều khiển dự báo theo mô hình với số trạng thái hữu hạn (FCS-MPC); hàm mục tiêu. DESIGNING MODEL PREDICTIVE CONTROL OF A GRID CONNECTED QUASI-ZSOURCE INVERTER Abstract – This thesis presents a model predictive controller (MPC) design for a grid- connected photovoltaic system using a quasi-Z-source inverter (qZSI). The qZSI is recognized as an attractive solution compared with the conventional voltage source inverter due to its benefits: the capability to boot the DC voltage input and overcoming the drawback of the short-circuit effect in switching devices. The PI controller has been extensively applied for qZSI. However, it provides a low dynamic response and its performances depend on the quality of the internal current controller. Another disadvantage of this method is the behavior of non-minimum phase phenomenon in the DC side, leading to an instability of the whole system. The finite control set model predictive control (FCS-MPC) presents advantages such as its concept simplicity (without cascaded control loop structure and modulation block) and easy inclusion of nonlinearities and constraints. In this research, the cost function for qZSI consists of load current, inductor current, and a capacitor voltage. Then, its minimization is carried out to obtain the best switching state which is implemented to the inverters. Simulation analyses were performed in a Matlab/Simulink environment with different operating conditions of the system to validate the effectiveness and feasibility of the proposed method. Key word – Photovoltaic, Quasi-Z-source inverter (qZSI), Model predictive control (MPC), Finite control set-model predictive control (FCS-MPC), cost function. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: v Điện áp tức thời (V) i Dòng điện tức thời (A) V Giá trị hiệu dụng của điện áp (V) I Giá trị hiệu dụng của dòng điện (A) P Công suất (W) d Tỷ số điều chế “ngắn mạch” ở ZSI/qZSI D Tỷ số chu kì ở chuyển đổi DC-DC Ppv Công suất nguồn PV (W) Pload Công suất tiêu thụ của tải (W) Tần số góc (radian)  Ns Số cell PV nối tiếp Np Số cell PV song song P Công suất tác dụng (W) Q Công suất phản kháng (var) T Nhiệt độ ( C ) Ts Thời gian lấy mẫu của bộ điều khiển T0 Thời gian ở trạng thái “ngắn mạch” Các kí hiệu trên: * Giá trị tham chiếu hoặc bắt buộc ^ Giá trị cực đại hoặc đạt đỉnh p Giá trị dự báo Các kí hiệu dưới: in Giá trị đầu vào o Giá trị đầu ra a, b, c Các pha đầu ra của bộ nghịch lưu ref Giá trị tham chiếu pv Giá trị điện áp hoặc dòng của nguồn PV C Điện dung L Điện kháng mpp Giá trị cực đại của điện áp hoặc dòng tại nguồn PV min, max Giá trị cực tiểu, giá trị cực đại pk Giá trị đỉnh CÁC CHỮ VIẾT TẮT: AC Dòng điện xoay chiều (alternate current) CSI Nghịch lưu nguồn dòng (current source inverter) DC Dòng điện một chiều (direct current) EMI Nhiễu điện từ (electromagnetic interference) I&C Thuật thoán dẫn điện gia tăng (Incremental and conductance) IGBT Transistor lưỡng cực (insulated gate bipolar transistor) MPC Điều khiển dự báo theo mô hình (model prediction control) MPP Điểm làm việc công suất cực đại (maximum power point) MPPT Tìm điểm làm việc công suất cực đại (maximum power point tracking) PI P&O PV PWM qZSI THD VSI ZSI Điều khiển tỷ lệ-tích phân PI (proportional and integral) Thuật toán tạo nhiễu loạn và quan sát (perturb and observe) Pin mặt trời (photovoltaic) Điều chế độ rộng xung (pulse width modulation) Nghịch lưu nguồn qZ (quasi-Z-source inverter) Tổng độ biến dạng sóng hài (total harmonic distortion) Nghịch lưu nguồn áp (voltage source inverter) Nghịch lưu nguồn Z (Z-source inverter) DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 So sánh phần tử thụ động của bộ biến đổi có công suất 50kW ứng dụng cho Fuel cell Bảng vectơ điện áp đầu ra ở mỗi trạng thái chuyển mạch của qZSI Bảng trạng thái chuyển mạch được tạo ra bởi qZSI So sánh sức mạnh tính toán giữa 2 thuật toán FCS-MPC Thông số cho mô phỏng nghịch lưu nguồn qZ với tải RL có điện áp ngõ vào Vin thay đổi [24] Thông số cho mô phỏng nghịch lưu nguồn qZ với tải RL thay đổi [24] Thông số cho mô phỏng nghịch lưu nguồn qZ của hệ thống PV được kết nối lưới [24] 20 2.2 2.3 3.1 4.1 4.2 4.3 23 23 38 39 43 47 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 2.1 2.2 2.3 Tên hình Trang Hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới Cấu tạo của pin mặt trời Sơ đồ tương đương của pin mặt trời Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi hở mạch Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi ngắn mạch Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ của pin Sơ đồ mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời Sơ đồ mắc song song các tấm pin mặt trời. Sơ đồ hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời kết nối kết hợp song song và nối tiếp Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp Boost Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost Mạch điện cơ bản của hệ thống nghịch lưu Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường độ bức xạ thay đổi (a) Mô hình dãy bị bóng che. (b) Đặc tính I – V. (c) Đặc tính P – V (a). Đặc tính công suất Ppv (vpv) (b). Sơ đồ khối điều khiển (a). Đặc tính công suất Ppv (ipv) (b). Sơ dồ khối điều khiển (a). Đặc tính công xuất Ppv (d) , (b). Sơ đồ khối điểu khiển Phương pháp MPPT của kỹ thuật “Perturb and Observe” (P&O) Cấu trúc mạch lực của nghịch lưu nguồn Z Sơ đồ mạch lực nghịch lưu ba pha nguồn Z Một số cấu trúc mới phát triển dựa trên qZSI; (a) diode bổ trợ boost qZSI (b) nghịch lưu chuyển đổi ZSI (c) nghịch lưu nguồn T-Z (d) nghịch lưu nguồn H-Z 4 5 7 7 7 8 8 9 9 10 10 11 12 12 13 14 15 15 16 17 17 18 19 20 21 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 Nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống nghịch lưu PV Mạch tương đương của qZSI khi (a) trạng thái “ngắn mạch” (b) trạng thái “không ngắn mạch” Vector điện áp cho qZSI Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển dự báo Cấu trúc điều khiển của FCS-MPC Nguyên lý dự báo tín hiệu của MPC Thuật toán điều khiển chung của FCS-MPC Sơ đồ phương pháp điều khiển FCS-MPC cho qZSI Mô hình tải của qZSI Lưu đồ thuật toán FCS-MPC cho qZSI [37] Lưu đồ thuật toán FCS-MPC được đề xuất cho qZSI Sơ đồ khối của hệ thống nghịch lưu nguồn qZSI trong hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới. Kết quả mô phỏng phía DC của qZSI ở trường hợp 1 Kết quả mô phỏng phía AC của qZSI ở trường hợp 1 Phân tích Fourier của dòng điện tải với công suất đầu ra P = 3kW Kết quả mô phỏng phía DC của qZSI ở trường hợp 2 Kết quả mô phỏng phía AC của qZSI ở trường hợp 2 Phân tích Fourier của dòng điện tải với công suất đầu ra P = 500W Đáp ứng động học của dòng điện tải Phân tích Fourier của dòng điện tải với công suất đầu ra P = 1 kW Đặc tính của dòng điện trên cuộn cảm, điện áp trên tụ điện và điện áp đầu vào Điện áp sau mạch LC Điện áp dây đầu ra mạch nghịch lưu 22 22 24 27 29 30 31 32 33 35 36 38 40 42 42 44 46 46 48 49 49 50 51 Trang 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, với tình hình dân số và khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng, nhu cầu về điện ngày càng tăng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống. Để đáp ứng nhu cầu dùng điện, ngoài việc khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện và nhiệt điện thì việc khai thác và đưa vào sử dụng các dạng năng lượng tái tạo (như năng lượng mặt trời, gió,…) ngày càng nhận được sự quan tâm rất lớn trên toàn thế giới vì những lợi ích thiết thực mang lại từ các nguồn này. Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta, đó là nguồn năng lượng sẵn có, vô tận và là nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường. Vì vậy, việc nghiên cứu để khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời là rất cần thiết. Để khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới điện thông minh. Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), nguồn năng lượng một chiều này được điều chỉnh theo mức yêu cầu nhất định. Sau đó, trước khi năng lương được hòa vào lưới, tải thì cần có sự chuyển đổi công suất từ dạng điện áp một chiều sang xoay chiều (DC/AC), được thực hiện ở bộ chuyển đổi nghịch lưu. Do đó, lựa chọn cấu trúc mạch lực thiết bị biến đổi điện tử công suất và phương pháp điều khiển, đóng vai trò quan trọng đảm bảo việc khai thác hiệu quả hệ thống điện mặt trời. Nghịch lưu nguồn Z (Z-Source Inverter - ZSI) được giới thiệu vào năm 2003 bởi tác giả Fang Zheng Peng tại đại học Michigan (Hòa Kỳ), là thiết bị chỉ một tầng biến đổi điện tử công suất, cho phép điện áp đầu ra mong muốn khi điện áp sơ cấp đầu vào thay đổi, phù hợp với đặc điểm làm việc của hệ thống phát điện phân tán. Nó cung cấp tăng điện áp cao hơn và loại bỏ được sự chồng chéo giữa các van chuyển đổi nghịch lưu và biến dạng dòng đầu ra do sự xuất hiện của thời gian chết. Tuy nhiên có nhược điểm là dòng đầu vào không liên tục và điện áp đặt trên các tụ điện luôn cao Nghịch lưu nguồn Quasi-Z (Quasi-Z-Source Inverter - qZSI) được gọi là bản cải tiến của ZSI. Mang đến sự lựa chọn tốt hơn với dòng đầu vào liên tục và điện áp thấp hơn trên các tụ của nó khi vẫn duy trì khả năng giống như ZSI với cùng thành phần gốc. Bởi vì cấu trúc này nên nó dễ dàng hơn trong việc thực hiện lưu trữ pin. Có rất nhiều phương pháp để điều khiển nghịch lưu nguồn qZ như bộ điều khiển PI đã được sử dụng rộng rãi cho qZSI nhưng PI vẫn có một số hạn chế như tính phi tuyến của hệ thống. Trong các phương pháp điều khiển hiện hành đối với hệ phi tuyến, phương pháp điều khiển dự báo (MPC - Model Prediction Control) được coi là một phương pháp điều khiển thay thế và mạnh mẽ cho các ứng dụng điện tử công suất. Những kết quả nghiên cứu trước đây đã cho thấy MPC điều khiển hiệu quả và có độ tin cậy cao. Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển dự báo trong hệ thống pin năng lượng mặt trời là một giải pháp quan trọng và có ý nghĩa thực tiễn. Đây chính là bối cảnh và động lực để học viên chọn đề tài “Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ trong hệ thống pin năng lượng mặt trời” cho luận văn tốt nghiệp của mình. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận văn này là: - Xây dựng cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống pin năng lượng mặt trời (Photovoltaic - PV). 2 - Xây dựng mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ. - Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ trong hệ thống pin năng lượng mặt trời. - Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để kiểm chứng mô hình, phương pháp và đánh giá kết quả. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: cấu trúc nghịch lưu nguồn qZSI. Phạm vi nghiên cứu: phương pháp điều khiển dự báo cho bộ nghịch lưu nguồn qZSI nhắm đến áp dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu và khảo sát các công nghệ cho các hệ thống pin năng lượng mặt trời trong thực tế. - Nghiên cứu các tài liệu về nghịch lưu nguồn qZ. - Nghiên cứu các tài liệu về các thuật toán điều khiển được sử dụng trong hệ thống. - Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mạch lực, mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới. Nghiên cứu thực nghiệm: - Tất cả các công việc của đề tài được mô phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc nghiên cứu lĩnh vực điện năng lượng mặt trời có ý nghĩa hết sức quan trọng góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên to lớn khi các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt. Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu mang lại nhiều ý nghĩa trong việc thiết kế bộ nghịch lưu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo với giá thành thấp và tin cậy. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết thúc, nội dung chính của luận văn được trình bày trong 4 chương như sau: - Chương 1: Tổng quan hệ thống pin năng lượng mặt trời. Chương này giới thiệu tổng quan về cấu trúc của hệ thống pin năng lượng mặt trời và vai trò của các thành phần trong hệ thống. - Chương 2: Nghịch lưu nguồn qZ. Chương này trình bày cấu trúc mạch lực và mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống pin năng lượng mặt trời, giới thiệu các phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ hiện nay. - Chương 3: Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ. Giới thiệu về các phương pháp điều khiển dự báo, đưa ra cấu trúc và nguyên lý làm việc của phương pháp điều khiển dự báo FCS - MPC, xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ. - Chương 4: Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả. Trên cơ sở lý luận đã đề xuất ở chương 2 và chương 3, để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, chương này trình bày thiết kế mô hình hóa hệ thống, thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink và đánh giá kết quả. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời Hệ thống pin năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng thu được từ ánh sáng mặt trời thành dạng năng lượng điện có thể sử dụng được. Điều này đòi hỏi cần có một bộ chuyển đổi công suất giữa hai giai đoạn như Hình 1.1. Giai đoạn chuyển đổi DCDC là nơi đầu ra điện áp pin mặt trời (PV) được điều chỉnh theo mức yêu cầu nhất định. Sau đó, trước khi năng lượng được hòa vào lưới, tải cần có sự chuyển đổi công suất từ dạng điện áp một chiều sang xoay chiều (DC - AC), được thực hiện ở bộ chuyển đổi nghịch lưu. Một kho tụ một chiều (DC bus) có vai trò đảm bảo sự cân bằng năng lượng giữa nguồn và tải; có thể có hoặc không có khâu lưu trữ năng lượng tại bus DC này tùy thuộc vào tính chất của phụ tải. Khâu lưu trữ năng lượng là nơi lưu giữ năng lượng tạm thời và sử dụng khi cần đến. Bộ lọc Đầu ra DC bus Bộ chuyển đổi DC-DC MPPT Hệ thống PV Bộ lưu trữ pin Tín hiệu PWM Đo Dòng điện Bộ biến đổi nghịch lưu DC-AC Lưới điện Tải Tín hiệu PWM Bộ điều khiển 1. Điều khiển bộ DC-DC 2. Điều khiển bộ DC-AC 3. Điều khiển bộ lưu trữ pin Hình 1.1: Hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới Các tiêu chí trong thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới như sau: - Thứ nhất, hệ thống có khả năng phân phối điện hiệu quả, trong đó đề cập khả năng của hệ thống để đảm bảo năng lượng thu được từ nguồn năng lượng mặt trời chuyển thành điện được sử dụng ở mức tải cao nhất có thể. Điều này có thể thực hiện qua việc giảm các giai đoạn chuyển đổi, sử dụng ít thành phần liên quan từ điện áp và dòng điện gây ra ảnh hưởng tới tổn thất công suất. Thực tế là các nhu cầu năng lượng mà có nhiều giai đoạn chuyển đổi và dài càng dễ bị mất điện, nhiễu hoặc bị biến dạng lúc vận hành. - Thứ hai, hệ thống có khả năng lưu trữ năng lượng tốt, có nghĩa là hệ thống có thể được sử dụng hoàn toàn không chỉ trong những lúc bức xạ mặt trời đủ để chuyển đổi năng lượng như ban ngày mà còn có thể hoạt động vào ban đêm hoặc khi mặt trời thấp, mưa gió, thời tiết xấu… khi không thể chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ hệ thống PV. Việc sử dụng pin là thiết bị lưu trữ với thông số nạp/xả theo yêu cầu hệ thống, cần phải có khả năng xử lý linh hoạt chế độ nạp/xả và có thể điều khiển cũng như quản lý lưu lượng trong hệ thống nghịch lưu. Lưới điện có khả năng không những cung cấp điện cho lưới điện và tải từ 4 nguồn PV và pin mà còn cung cấp công suất lại tải hoặc nạp pin khi nguồn điện từ PV bị hạn chế hoặc hoàn toàn không có sẵn. - Cuối cùng, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng công suất được cung cấp bởi hệ thống chuyển đổi theo tiêu chuẩn kết nối và đảm bảo sự tiện ích nhất như về hệ số công suất, dung lượng điều hòa…Tiêu chuẩn được xem xét đến ở đây được nêu trong “Nối lưới AS4447 của hệ thống năng lượng thông qua nghịch lưu” [3] và “tiêu chuẩn IEEE 1547 để kết nối các hệ phân tán với các hệ thống điện” [4]. Trong thực tế chúng ta đã gặp rất nhiều hệ thống điện mặt trời độc lập. Công nghệ này thường được ứng dụng cho các khu vực không có lưới điện công nghiệp hoặc cho các tải tiêu thụ đặc biệt, công suất nhỏ. Nhược điểm là phải dùng hệ thống lưu trữ bằng ắc quy. Giải pháp này khá đắt và phải bảo dưỡng cũng như thay thế thường xuyên, vừa gây ô nhiễm môi trường. Mặt khác bộ ắc quy cũng chỉ tích được một lượng điện năng có hạn, còn với các dàn pin mặt trời hàng chục hay hàng trăm kW thì sử dụng ắc quy tích điện là một vấn đề khó khăn rất lớn, thậm chí là không thể. Đối với các ứng dụng quy mô lớn người ta sử dụng công nghệ điện mặt trời nối lưới. Trong công nghệ này, điện từ máy phát là dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng xoay chiều có hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp. Khi sử dụng điện người ta lại lấy điện từ lưới. Mạng lưới điện có vai trò như một “ngân hàng”, hấp thụ điện năng lúc dàn pin mặt trời phát điện thừa vào lưới và cung cấp trở lại người tiêu dùng khi cần thiết. Nhờ đó mà việc sử dụng luôn ổn định và rất tiết kiệm điện. 1.2. Giới thiệu pin mặt trời Cấu tạo của pin mặt trời (pin năng lượng mặt trời hay còn gọi là pin quang điện, ký hiệu là PV) là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Các tế bào quang điện có khả năng nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn tạo thành dòng điện. Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên liệu. Điện cực mặt trên Lớp chống phản quang Lớp bán dẫn loại n Lớp bán dẫn loại p Lớp đáy Điện cực mặt dưới Hình 1.2: Cấu tạo của pin mặt trời Cấu tạo pin năng lượng mặt trời rất độc đáo với nhiều thành phần phức tạp, tuy nhiên hiện nay thiết bị này được làm chủ yếu từ các silicon dạng tinh thể với 3 loại pin phổ biến được sử dụng nhiều gồm: 5 - Pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể (Mono): được cắt trực tiếp từ các khối tinh thể silicon hình ống cho hiệu suất chuyển đổi cao nhất (lên đến 16%). Do đó đây là loại pin năng lượng mặt trời đắt tiền nhất hiện nay. - Pin năng lượng mặt trời đa tinh thể (Poly): được làm từ silicon nung chảy và phủ thành lớp liền nhau không chia khối như đơn tinh thể. Hiệu suất chuyển đổi của loại pin này thấp hơn pin đơn tinh thể, tuy nhiên mật độ phủ lại cao hơn tấm Mono trong cùng một diện tích nên nó có thể bù lại về sản lượng điện được sinh ra. - Pin năng lượng mặt trời dạng mỏng (Thin-film): được tạo từ những miếng phim rất mỏng từ chất liệu silicon nóng chảy có cấu trúc đa tinh thể, nó bỏ qua thao tác cắt thỏi silicon nên cho hiệu suất thấp nhất. Đó cũng là lý do khiến loại pin này có giá cả mềm nhất so với hai loại pin Mono và Poly, nên nó được sử dụng phổ biến bởi phù hợp với túi tiền của nhiều người. Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau. Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Chất liệu bán dẫn làm pin, - Vị trí đặt các tấm panel mặt trời, - Thời tiết khí hậu, mùa trong năm, - Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều… Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m²/1 giờ đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây) thì mỗi giờ mỗi kWp pin mặt trời sẽ cho ra gần 1kWh điện, trung bình mỗi ngày có từ 4-5 giờ như vậy. Công suất của một hệ thống đạt tốt hay không còn phụ thuộc vào việc ghép nối các tấm pin mặt trời với nhau, hướng đặt tấm pin, các thiết bị liên quan như dây dẫn… Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời sử dụng trong hệ thống điện mặt trời: - Hiệu suất: từ 16% – 20%, - Công suất phổ biến: từ 20Wp đến 400Wp, - Điện áp: 12VDC hoặc 24VDC hoặc 48 VDC, - Số lượng cell trên mỗi tấm pin vào khoảng: 60, 72, 120 cells, - Kích thước cell: 5 – 6 inchs, - Loại cells: monocrystalline (đơn tinh thể ) và polycrystalline (đa tinh thể), - Chất liệu của khung: nhôm, - Tuổi thọ trung bình của tấm pin: từ 25 - 40 năm. 1.2.1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời: Pin PV có mạch điện tương đương như một diode mắc song song với một nguồn điện quang sinh. Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin PV có một trạng thái làm việc nhất định, dòng điện quang sinh không thay đổi theo trạng thái làm việc. Do đó, trong mạch điện tương đương có thể xem như là một nguồn dòng ổn định IՓ. Trên thực tế, trong quá trình chế tạo pin PV, do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau, cũng có thể do bản thân vật liệu có một điện trở suất nhất định. Vì vậy trong mạch điện tương đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp Rs và một điện trở song song Rsh với tải. Như vậy, mạch điện tương đương của pin PV được thể hiện như trong Hình 1.3 [33]. 6 Hình 1.3: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng Vôn – Ampe của pin như sau:  q.vk.IT.RS   V  I .RS  I  I SC  I 01. e  1  RSh   (1.1) Trong đó: - I SC là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m2), - I 01 là dòng bão hòa (A/m2), - q là điện tích của điện tử = 1,6.10-19 (C), - k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k), - T là nhiệt độ (K), - I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở nối tiếp và song song của pin trong mạch tương đương ở Hình 1.3. Điện áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở. Khi đó dòng mạch ngoài I = 0. Hình 1.4: Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi hở mạch Dòng ngắn mạch I SC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V=0. Hình 1.5: Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi ngắn mạch 7 Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch I SC khi điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được tính theo công thức: (1.2) P  U .I Tại điểm làm việc U = VOC; I = 0 và U = 0; I = ISC, công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0. Hình 1.6: Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời * Nhận xét: Dòng ngắn mạch I SC tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng nên đường đặc tính V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng. Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPP có công suất lớn nhất thể hiện như Hình 1.7. Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên Hình 1.7 (đỉnh của đường cong đặc tính). Hình 1.7: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính V - I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin. 8 Hình 1.8: Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ của pin 1.2.2. Cách ghép nối các tấm pin mặt trời: Giả sử các module pin mặt trời đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng ngắn mạch I SC , điện áp hở mạch VOC bằng nhau. Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi đó: - Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn: Dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống khi mắc nối tiếp. Hình 1.9: Sơ đồ mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời - Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn hơn: Dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm khi mắc song song. 9 Hình 1.10: Sơ đồ mắc song song các tấm pin mặt trời - Hệ thống kết nối kết hợp song song và nối tiếp: Sử dụng phương thức kết nối hệ thống kết hợp song song và nối tiếp trong hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời, điều này sẽ làm tăng điện áp lẫn dòng điện được sinh ra. Ví dụ: kết nối hệ thống 4 tấm pin năng lượng mặt trời có điện áp 12V và dòng điện 4A theo như Hình 1.11 sẽ sản sinh ra hệ thống có điện áp 24V và dòng điện 8A. Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời kết nối kết hợp song song và nối tiếp 1.3. Các bộ biến đổi trong hệ thống pin năng lượng mặt trời 1.3.1. Bộ biến đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể 10 điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải. Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khoá điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, và một đi-ốt dẫn dòng. Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và loại không cách ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp. Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử. Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu. Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện vì nhiều lý do an toàn. Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly. Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều. Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm: - Bộ giảm áp (buck): có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp. - Bộ tăng áp (boost): có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC. - Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost): vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp. - Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV còn tuỳ thuộc vào yêu cầu của ắc quy và tải đối với điện áp ra của dãy panel mặt trời. Các loại bộ biến đổi DC/DC: - Mạch Buck: + Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa điện tử được đóng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo Công thức (1.3): D Ton  Ton. f c T (1.3) Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck + Điện áp ra được xác định theo công thức (1.4): Vout  Vin .D (1.4) + Công thức trên cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc quy làm chuẩn. Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở Ton. Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM.