Đề tài Ổn định dòng điện cho bộ phát năng lượng mặt trời vào lưới điện

Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 74 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM ỔN ĐỊNH DÒNG ĐIỆN CHO BỘ PHÁT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀO LƯỚI ĐIỆN Trương Việt Anh(1), Nguyễn Bá Thuận(2) (1) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TpHCM (2) Trường Đại Học Lạc Hồng (Bài nhận ngày 28 tháng 11 năm 2009, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 15 tháng 11 năm 2010) TÓM TẮT: Bài báo này trình bày một mô hình kết nối nguồn năng lượng mặt trời, cũng như các nguồn năng lượng phân tán khác tại các hộ gia ñình, hòa ñồng bộ vào lưới ñiện phân phối. Việc hòa này dùng phương pháp ñiều khiển bám sát tần số, ñiện áp của nguồn lưới cũng như nguồn năng lượng mặt trời. Kết quả khảo sát trên mô hình của phương pháp cho thấy: Khả năng ổn ñịnh dòng ñiện bơm vào lưới bất chấp sự thay ñổi của ñiện áp và tần số lưới ñiện hoặc ñiện áp nguồn một chiều của hệ thống inverter bị suy giảm hay tăng cao. Ngoài ra mô hình còn có khả năng giảm thiểu lượng công suất kháng truyền vào lưới ñể tận dụng tối ña khả năng các khoá ñiện tử của bộ inverter trong việc truyền dòng công suất tác dụng. Từ khóa: mô hình, kết nối nguồn năng lượng mặt trời, lưới ñiện. 1.GIỚI THIỆU Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu có nguồn gốc hóa thạch luôn gây ô nhiễm môi trường, ñang cạn kiệt dần và làm cho trái ñất ấm dần lên. Việc tìm ra nguồn năng lượng sạch, vô tận luôn là ưu tiên hàng ñầu. Năng lượng mặt trời, năng lượng gió ñáp ứng ñược những yêu cầu này, nhưng có công suất không lớn và rất phân tán, ñể tận dụng có hiệu quả, cần phải kết nối các nguồn năng lượng này thông qua hệ thống lưới ñiện phân phối có sẵn bằng các bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với ñiện xoay chiều. Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này [1..4], nhưng các mục tiêu chủ yếu tập trung ñiều khiển dòng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q với các ñiều kiện ràng buộc như tần số, ñiện áp lưới không thay ñổi hay ñiện áp DC của bộ nghịch lưu không thay ñổi, tuy nhiên, thực tế, các giá trị này thay ñổi ñáng kể. Bài báo này tập trung xây dựng một giải thuật ñiều khiển bộ nghịch lưu kết nối lưới AC có khả năng tự ñộng ổn ñịnh dòng ñiện bơm vào lưới với hệ số công suất ở mức cao khi ñiện áp, tần số lưới và ñiện áp DC ñặt vào bộ nghịch lưu thay ñổi. 2.PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN Sơ ñồ kết nối nguồn năng lượng mặt trời vào lưới ñiện phân phối hạ thế và sơ ñồ tương ñương ñược biểu diễn lần lượt tại hình 1 và 2. Công suất truyền qua cuộn kháng L bơm vào lưới ñược mô tả tại các biểu thức: TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 75 s EUP sin X = δ (1) 2 s s EU UQ cos X X = δ − (2) Trong ñó: δ là góc lệch giữa E r (ñiện áp ñầu ra của Inverter) và U r (ñiện áp lưới). Hình 1. Sơ ñồ kết nối nguồn NLMT với lưới Hình 2. Sơ ñồ kết nối tương ñương Từ biểu thức (1) và (2) dễ dàng nhận thấy, việc ñiều khiển công suất P phụ thuộc nhiều vào góc lệch δ và ñiều khiển Q bằng cách thay ñổi ñiện áp E. Để tận dụng tối ña khả năng mang tải của các khoá ñiện tử, biến áp xung, cuộn kháng L, bộ nghịch lưu luôn phải làm việc ở chế ñộ : - Giữ công suất phản kháng Q truyền vào lưới gần bằng 0 hay hệ số công suất PF = 1 - Giữ dòng ñiện bơm vào lưới không ñổi ngay khi ñiện áp Vdc, ñiện áp lưới, tần số lưới thay ñổi. 2.1. Xác ñịnh ñiện áp E ñể hệ số công suất cao Nếu bỏ qua các loại tổn thất công suất trên máy biến áp nâng áp, từ biểu thức (2) ñể hệ số công suất PF ñạt mức cao hay công suất phản kháng bơm vào lưới Q = 0 thì: Ecosδ = U hay E(t)cosδ = U(t) (3) Để E(t)cosδ = U(t), tín hiệu sóng sin của lưới ñiện ñược hồi tiếp làm sóng sin ñiều khiển. Điều này cho phép E luôn bám sát theo U lưới tỷ lệ không ñổi là cosδ. Khi ñó, dòng ñiện Inverter IU bơm vào lưới ñược ñiều chỉnh tăng hay giảm hoặc Vdc thay ñổi và ngay cả khi tần số lưới biến ñộng thì PF vẫn ở mức cao. 2.2. Xác ñịnh góc lệch δ ñể I = const Từ biểu thức (1) và (3), khi Q = 0, dòng ñiện I ñược tính theo biểu thức (4) 2 2 s P QS P EI sin U U U X + = = = = δ (4) (3), (4) ⇒ s s U UI sin tg X cos X = δ = δ δ (5) Nhận xét: Theo biểu thức (3) và (5) cho thấy:
Điện áp ñầu cuộn kháng luôn phải duy trì ñiều kiện E(t)cosδ = U(t) ñể ñảm bảo cho ñiều kiện Q=0 hay hệ số công suất PF ở mức cao
Để dòng ñiện I = const, khi U tăng k lần, thì tgδ phải giảm ñi k lần và ngược lại. Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 76 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
Khi tần số thay ñổi và ñiện áp không ñổi, nếu giữ nguyên góc lệch δ thì I = const 2.3. Điều khiển góc lệch δ theo yêu cầu Để ñiều khiển dòng ñiện bơm vào lưới theo (5) và dùng tín hiệu sóng sin của ñiện áp lưới làm sóng ñiều khiển như ñã nêu tại II.1, cần phải làm trễ tín hiệu sóng sin này một khoảng thời gian t ñược tính theo (6) o o o o .T 360 t T T 1 360 360 360 f δ δ − δ  = − = − =    (6) Việc làm trễ tín hiệu sóng sin một khoảng thời gian t như (6) mà không làm biến dạng sóng là một vấn ñề khó khăn, vì vậy, tín hiệu sóng sin ñược ñưa ngay vào bộ ñiều chế ñể thành các xung vuông, sau ñó các xung vuông này ñược làm trễ một thời gian t (hình 5), bằng cách này mạch ñiện ñiều khiển sẽ trở nên ñơn giản hơn. 2.4. Inverter làm việc ổn ñịnh khi Vdc thay ñổi Các thông số như ñiện áp ngõ ra của inverter E hay góc lệch δ luôn ñược ñiều chỉnh mỗi khi có sự thay ñổi của lưới ñiện ñể ñảm bảo ñiều kiện I=const và Q=0. Tuy nhiên, khi Vdc của bộ pin mặt trời thay ñổi, việc thay ñổi các thông số trên không còn phù hợp. Phương pháp ñiều khiển bộ nghịch lưu SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) [5] dùng bộ tạo sóng sin làm sóng ñiều khiển và ñược trộn với sóng mang tam giác tần số cao, cho ra các ñộ rộng xung thay ñổi ñể ñiều khiển thời gian ñóng ngắt các khóa của bộ nghịch lưu. Công thức ñược tính như sau. a 1 dcE m K V= (7) Trong ñó: E : ñiện áp ngõ ra inverter ñặt vào cuộn kháng L. Vdc: ñiện áp DC của bộ nghịch lưu. K1 : tỷ số máy biến áp ñộng lực nâng áp. ma : chỉ số ñiều chế. sa t V m V = (8) Với Vs là ñiện áp ñỉnh của sóng sin ñiều khiển và Vt là ñiện áp ñỉnh của sóng mang tam giác. Do lấy tín hiệu ñiện áp lưới U(t) làm sóng ñiều khiển nên Vs(t) = K2U(t), với K2: tỷ số máy biến áp lấy tín hiệu hồi tiếp. Nên biểu thức (7) ñược viết lại như sau: 2 1 dc t K U(t)E(t) K V V = (9) (3) và (9) ⇒ t dcV V cos= δ (10) Trong ñó K2 ñược chọn ñể K1K2 = 1. Vậy khi duy trì (10), E(t) sẽ có giá trị biên ñộ ñỉnh không ñổi bất chấp khi nguồn Vdc thay ñổi. 2.5. Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển Sơ ñồ ñiều khiển và kết nối ñược diễn giải trên hình 3. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 77 Nguồn NL mặt trời Vdc bộ nghịch lưu SPWM Khoá hoà ñồng bộ Nguồn lưới U(t) Biến áp hồi tiếp tỷ số K2 U( t)= Us in t Bộ phát xung tam giác Vt = Vdccosδ Bộ trễ Bộ ñiều chế Biến áp nâng áp tỷ số K1 Cuộn kháng L tần số lưới tần số lưới E U Hình 3. Sơ ñồ nguyên lý kết nối ñiều khiển 2.6. Sơ ñồ mô phỏng trong MatLab Sử dụng MatLab là công cụ mô phỏng phương pháp hòa ñồng bộ nguồn năng lượng mặt trời cũng như khảo sát các chế ñộ làm việc của Inverter như: dòng ñiện bơm vào lưới khi nguồn năng lượng mặt trời, U và tần số lưới thay ñổi. Hình 4. Sơ ñồ kết nối trên MatLab Sơ ñồ kết nối trên hình 4 quan trọng nhất là bộ ñiều khiển xung kích cho bộ nghịch lưu. Hình 5 diễn giải bộ ñiều khiển xung kích. Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 78 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM Hình 5. Sơ ñồ bộ xung kích Tín hiệu Vdc ñược ñưa vào bộ ñiều khiển ñể ñiều chỉnh giá trị ñỉnh của xung tam giác Vt theo biểu thức (10). Tín hiệu sóng sin ñược lấy từ biến áp hồi tiếp của lưới ñiện ñược dùng làm sóng ñiều khiển ñể ñảm bảo biểu thức (3) nên ñiện áp ñầu ra E(t) luôn bám sát U và ñảm bảo ñúng tần số f của lưới ñiện. Các bộ trễ nhằm ñiều khiển góc lệch δ theo biểu thức (6) sao cho dòng ñiện I inverter bơm vào lưới không ñổi theo biểu thức (5). 3.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Mô hình bộ inverter hòa lưới ñiện có công suất 7000VA, hòa vào lưới ñiện 1 pha 220V cho hộ gia ñình, mô hình ñược mô phỏng trên MatLab. Tiến hành khảo sát các nội dung như sau: 3.1. Khảo sát quan hệ PF và dòng inverter IU Thay ñổi góc lệch δ ñể ñiều khiển dòng ñiện inverter IU bơm vào lưới, xác ñịnh giá trị hệ số công suất PF bằng cách kiểm tra tỷ số giữa dòng công suất tác dụng P và Q do inverter bơm vào lưới. Kết quả khảo sát ñược trình bày tại bảng 1. Bảng 1. Khảo sát IU và PF của inverter δ Độ trễ Cosδ IU(A) P(W) Q(Var) PF 10 0.019944 0.9998 1.41 200 10 0.998 30 0.019833 0.9986 2.96 650 -20 0.999 150 0.019167 0.9659 8.48 1950 -270 0.990 300 0.018333 0.8660 18.38 4200 -750 0.984 450 0.0175 0.7071 31.11 7065 -1460 0.979 Kết quả tại bảng 1 cho thấy khi dòng tăng từ 1.41A ñến 31.11 A (giá trị hiệu dụng), hệ số công suất PF ≈ 1, thể hiện qua giá trị công suất phảng kháng Q của inverter rất nhỏ so với công TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 79 suất tác dụng P. Điều này cho thấy việc hệ số công suất PF không những phụ thuộc vào góc lệch δ giữa E r và U ur như kết luận của [2] mà còn phụ thuộc vào ñộ lớn của 2 vector này theo biểu thức (3). 3.2. Khảo sát ổn ñịnh dòng IU theo Vdc và Ulưới Khảo sát tính ổn ñịnh của dòng IU bơm vào lưới khi ñiện áp Vdc thay ñổi hay ñiện áp U lưới thay ñổi ñược thực hiện bằng 3 thí nghiệm mô phỏng với góc lệch δ là 15o, 30o và 45o tương ứng với dòng ñiện IU là 8.48A, 18.38A, 31.1A. Các thí nghiệm có cùng thời ñiểm hoà lưới lúc 0,03s, lúc này ñiện áp Vdc =48V, Ulưới=220V, tại thời ñiểm 0.2s giá trị ñiện áp của pin mặt trời bị giảm còn Vdc=40V, ñiện áp lưới không ñổi và thời ñiểm 0.4s, giá trị ñiện áp nguồn tăng Ulưới=260V. Kết quả mô phỏng ñược biểu diễn tại hình 6(δ =15o), hình 7(δ=30o) và hình 8(δ=45o). Hình 6. δ =15o, IU=8.48 khi Vdc và Ulưới thay ñổi Trong suốt thời gian từ 0.03s ñến 0.5s, dòng hiệu dụng IU của Inverter bơm vào lưới vẫn không ñổi thời gian quá ñộ diễn ra nhanh chóng chỉ diễn ra trong 1 chu kỳ và biên ñộ dòng ñiện không thay ñổi ñáng kể. Tuy nhiên, mức dao ñộng của dòng ñiện quá ñộ sẽ ít hơn khi góc lệch δ lớn (IU lớn). Hình 7: δ =30o , IU=18.38 khi Vdc, Ulưới thay ñổi Hình 8: δ =45o, IU=31.1 khi Vdc, Ulưới thay ñổi Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 80 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM 3.3. Khảo sát ổn ñịnh dòng IU theo tần số lưới Để khảo sát tính ổn ñịnh của dòng IU bơm vào lưới khi tần số lưới thay ñổi, tiến hành 3 thí nghiệm mô phỏng với các góc lệch δ là 15o, 30o và 45o ứng với dòng ñiện IU là 8.48A, 18.38A, 31.1A. Cũng tương tự như khảo sát tại mục III.2, các thí nghiệm có cùng thời ñiểm hoà lưới lúc 0,03s, lúc này ñiện áp Vdc =48V, Ulưới=220V, tần số lưới là f=50Hz, tại thời ñiểm 0.2s tần số lưới giảm ñột ngột f=48Hz, Vdc=48V, Ulưới=220V. Kết quả ñược biểu diễn tại hình 9(δ=15o), hình 10(δ=30o) và hình 11(δ=45o). Các kết quả mô phỏng cho thấy thời gian quá ñộ là 0.2s từ thời ñiểm 0.2s ñến 0.4s, sau ñó giá trị dòng ñiện trở lại bình thường, dòng ñiện IU trong thời kỳ quá ñộ bị biến ñộng mạnh so với giá trị ổn ñịnh nhất là khi Inverter làm việc với góc lệch δ bé. 3.4. Nhận xét - Qua các khảo sát ñã trình bày, khi dòng ñiện IU bơm vào lưới từ 1.4A ñến 31.1A, giá trị hệ số công suất ổn ñịnh ở mức PF > 0.97, tốt hơn hẳn kết quả của [2]. Điều này cho thấy tính hiệu quả của giải thuật ñề nghị. - Giá trị dòng ñiện IU có mức ổn ñịnh lớn khi ñiện áp Vdc và Ulưới thay ñổi 20% quanh giá trị làm việc bình thường. Quá trình tự ñộng ñiều khiển ổn ñịnh diễn ra nhanh chóng (1 chu kỳ) và biên ñộ dao ñộng của dòng IU là không ñáng kể khi công suất bơm vào lưới lớn. Điều này tốt hơn cách ñiều khiển trình bày tại [1]. - Khi tần số dao ñộng ở mức 50Hz xuống 48Hz thì thời gian ổn ñịnh dòng IU diễn ra chậm (0,2s) với mức dao ñộng lớn. Đây cũng chính là ñiều cần phải hiệu chỉnh giải thuật ñiều khiển trong những nghiên cứu sau. Hình 9: δ =15o , IU=8.48 khi tần số f thay ñổi Hình 10: δ =30o, IU=18.38A khi tần số f thay ñổi TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 81 Hình 11: δ =45o, IU=31.1A khi tần số f thay ñổi 4.KẾT LUẬN Bằng kỹ thuật hồi tiếp sóng sin của ñiện áp lưới U làm sóng ñiều khiển của bộ nghịch lưu và thay ñổi ñiện áp xung tam giác theo giá trị ñiện áp một chiều của Pin mặt trời ñã giải quyết ñược: - Ổn ñịnh dòng ñiện IU Inverter bơm vào lưới khi có sự thay ñổi ñiện áp lưới và tần số lưới. Giải thuật này mang tính khả thi khi bộ trễ (ñiều khiển góc lệch) chỉ tác ñộng lên các xung vuông mà không trực tiếp làm trễ sóng sin hồi tiếp. - Nâng cao hệ số công suất (PF ≈ 1) ñể tận dụng tối ña khả năng mang tải của khóa ñiện tử trong việc truyền công suất tác dụng vào lưới. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu tiếp theo cần giải quyết dòng ñiện IU tăng cao trong quá trình quá ñộ khi tần số thay ñổi. STABILSING THE ELECTRIC CURRENT FOR THE SUN-ENERGY RIDDEN GENERATOR TO LOAD INTO A GRID Truong Viet Anh(1), Nguyen Ba Thuan(2) (1) University of Technical Education, HCM City (2) Lac Hong University ABSTRACT: This paper presents a solar power source coupling model, as well as other distributed power resoures at households which are synchronized with distributive electrical grid. This synchronization uses frequency tracking control method, electrical grid voltage as well as solar power source. Investigation result of the method on the model recognizes that current stability capacity injects electrical grid to disregard voltage and frequency changes or direct source voltage of inverter system is reduced or increased. Besides, the model is capable of reducing creative power transmitting into electrical in order to take advantage of capacity of electronic interlocking of the inverter when transmitting active power. Keywords: model, a solar power source coupling, electrical grid. Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 82 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Ngo Manh Dung, Phan Quang An, Pham Dinh Truc and Nguyen Huu Phuc, Active and Reactive power controller for single-phase Grid-connected photovoltaic syntems, Department of Electrical- Electronics Engineering- HoChiMinh City University of Technology.Vietnam National University in HoChiMinh, Vietnam, Feb. (2009). [2]. L. Hassaine, E. Olias, J. Quintero, M. Haddadi, Digital power factor control and reactive power regulation for grid- connected photovoltaic inverter, Power electronics systems group, universidad carlos III de madrid, avda, de la universidad 30, 28911 leganés, Madrid, Spain, Renewable energy 34, 315-321, (2009). [3]. Hassaine, L.; Olias, E.; Quintero, J.; Barrado, A., Digital control based on the shifting phase for grid connected photovoltaic inverter, Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2008. APEC 2008, Twenty-Third Annual IEEE, pp.945-951, Feb, (2008). [4]. Byunggyu Yu; Youngseok Jung; Junghun So; Hyemi Hwang; Gwonjong Yu, A Robust Anti-islanding Method for Grid-Connected Photovoltaic Inverter, Photovoltaic Energy Conversion, the 2006 IEEE 4th World Conference, vol. 2, pp.2242-2245, May. (2006). [5]. Nguyễn Văn Nhờ, Điện Tử Công Suất 1, Nhà Xuất bản Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh, (2005).