- Đào Việt Anh NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN Z NỐI LƯỚI CHO ĐIỆN MẶT TRỜI Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS. - Bùi Quốc Khánh Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng bộ biến đổi nghịch lưu nguồn Z nối lưới cho điện mặt trời do tôi tự nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giảng viên PGS.TS. - Giới thiệu chung về các nguồn năng lượng tái tạo và xu thế phát triển năng lượng tái tạo. - Tình hình sử dụng điện mặt trời hiện nay. - Tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam. - Cấu hình chung của hệ năng lượng mặt trời tham gia trong mạng điện. - Yêu cầu nối lưới của hệ thống điện mặt trời. - Bộ nghịch lưu nguồn Z. - Mô hình toán học của nghịch lưu nguồn Z. - Mô hình nghịch lưu nguồn Z phía xoay chiều. - 30 Chương 3 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. - Pin năng lượng mặt trời. - Mô hình hóa tấm pin năng lượng mặt trời. - Mô phỏng hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới pin mặt trời. - Nhu cầu năng lượng trên thế giới. - Tiêu thụ các dạng năng lượng trên thế giới. - Sự phát triển sử dụng năng lượng mặt trời. - Các nước dẫn đầu về sử dụng năng lượng mặt trời. - 12 Hình 1.10. - 13 Hình 1.11. - 13 Hình 1.12. - 27 Hình 2.10. - 28 Hình 2.11. - Đường đặc tính IV và PV của pin mặt trời. - 38 Hình 3.10. - 39 Hình 3.11. - Cấu trúc điều khiển tổng quát của bộ nghịch lưu nguồn Z nối lưới dành cho hệ phát điện năng lượng mặt trời. - 51 Hình 4.10. - 52 Hình 4.11. - 58 Hình 5.10. - 59 Hình 5.11. - 60 Hình 5.12. - 60 Hình 5.13. - 61 Hình 5.14. - 62 Hình 5.15. - 62 Hình 5.16. - 63 Hình 5.18. - 65 Hình 5.19. - 65 Hình 5.20. - 66 Hình 5.21. - 66 Hình 5.22. - 67 Hình 5.23. - 67 Hình 5.24. - 68 Hình 5.25. - 68 Hình 5.26. - 68 Hình 5.27. - 69 Hình 5.28. - 69 Hình 5.29. - 69 Hình 5.30. - 70 Hình 5.31. - 70 Hình 5.32. - 71 Hình 5.33. - 71 Hình 5.34. - 72 Hình 5.35. - 72 Hình 5.36. - 73 Danh mục hình vẽ iv Hình 5.37. - 73 Hình 5.38. - 73 Hình 5.39. - 74 Hình 5.40. - 74 Hình 5.41. - 75 Hình 5.42. - 75 Hình 5.43. - 89 Hình 6.10. - 80 Danh mục từ viết tắt iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT NLNZ Nghịch lưu nguồn Z Z-Source Inverter PV Pin mặt trời Photovoltaics MPPT Thuật toán xác định điểm làm việc có công xuất lớn nhất Maximum power point tracking ĐCVTKG Điều chế vector không gian Space Vector Modulation DSP Xử lý tín hiệu số Digital Signal Processing IGBT Van điều khiển hoàn toàn IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor DC Dòng một chiều Direct Current EMI Nhiễu điện tử Electron Magnetic Interference PLL Vòng khóa pha Phase locked Loop HSCS Hệ số công suất MBA Máy biến áp Transformer ADC Chuyển đổi tương tự sang số Analoge to Digital Converter Lời nói đầu 1 LỜI NÓI ĐẦU Với điều kiện thiên nhiên và thổ nhưỡng, Việt Nam được đánh giá là quốc gia không chỉ phong phú về nguồn năng lượng hóa thạch mà còn rất tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo. - Sở hữu nguồn năng lượng gió tốt nhất khu vực Đông Nam Á và giờ nắng mỗi năm tương đương gần 44 triệu tấn dầu quy đổi, nhưng lâu nay Việt Nam lại chưa khai thác hợp lý nguồn tài nguyên này. - Do đó việc nghiên cứu, ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo trong đó phát triển mạnh năng lượng gió và năng lượng mặt trời là xu hướng tất yếu của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. - Trong quá trình tìm hiểu ứng dụng các nguồn năng lượng sạch này vào đời sống sản xuất , được sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn em đã nghiên cứu đề tài : Nghiên cứu ứng dụng bộ biến đổi nguồn Z nối lưới cho điện mặt trời. - Do đó luận văn đặt ra nhiệm vụ Nghiên cứu ứng dụng bộ biến đổi nghịch lưu nguồn Z cho điện mặt trời để nghiên cứu áp dụng nghịch lưu nguồn Z vào một ứng dụng cụ thể, làm tiền đề áp dụng nghịch lưu nguồn Z cho các nguồn năng lượng phân tán. - Kết quả nghiên cứu này là tiền đề cho việc ứng dụng nghịch lưu nguồn Z tích hợp vào các hệ phát điện phân tán với lưới điện truyền thống, hình thành nên lưới điện thông minh ( Smart Grid) với độ tin cậy vận hành cao và tiết kiệm năng lượng hơn so với lưới điện truyền thống. - Từ đó, thiết kế cấu trúc điều khiển NLNZ cho hệ năng lượng mặt trời. - Tổng quan: Giới thiệu chung về các nguồn năng lượng tái tạo và yêu cầu cấp thiết cần phải sử dụng mạnh mẽ các nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai. - Giới thiệu về tình hình năng lượng mặt trời và tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam. - Pin năng lượng mặt trời và thuật toán tìm điểm công suất cực đại: Ở chương này giới thiệu về pin năng lượng mặt trời, mô hình hóa pin năng lượng mặt trời và tìm hiểu các phương pháp tìm điểm công suất cực đại. - Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z cho pin mặt trời: Thiết kế cấu trúc điều khiển NLNZ nối lưới cho hệ pin mặt trời gồm hai mạch vòng. - Mạch vòng phía xoay chiều có nhiệm vụ, điều khiển được quá trình trao đổi công suất giữa hệ phát điện năng lượng mặt trời với lưới hoạc tải. - Giới thiệu chung về các nguồn năng lượng tái tạo và xu thế phát triển năng lượng tái tạo Đầu tư phát triển năng lượng tái tạo (NLTT) từ nước, nắng, gió, sinh khối, địa nhiệt… để có thêm nguồn năng lượng sạch, giảm ô nhiễm, giảm khí thải nhà kính và chủ động nguồn năng lượng là xu hướng tất yếu và đã tăng trưởng đều trong các năm qua trên thế giới. - Dự báo nhu cầu năng lượng thế giới sẽ tăng hơn 1/3 vào 2035 so với hiện nay, tăng nhiều ở khu vực châu Á, mức tăng ở Trung Quốc, Ấn Độ và Trung Á có thể lên đến 60%. - Hiện nay nguồn năng lượng sử dụng chủ yếu từ than, dầu khí, hạt nhân, còn NLTT chỉ chiếm khoảng 20%. - NLTT còn gọi năng lượng thay thế hay năng lượng sạch, năm 2011, NLTT cung cấp 19% năng lượng tiêu thụ thế giới, trong đó 9,3% là năng lượng sinh khối truyền thống, chủ yếu dùng nấu nướng và sưởi ấm ở các vùng nông thôn các nước đang phát triển, còn lại gồm 4,1% nhiệt lượng từ sinh khối, mặt trời, địa nhiệt và nước nóng, 3,7% thủy điện, 1,1% điện năng từ gió, mặt trời, địa nhiệt và 0,8 % nhiên liệu sinh học. - Nhu cầu năng lượng trên thế giới Chương 1. - Tiêu thụ các dạng năng lượng trên thế giới 1.2. - Tình hình sử dụng điện mặt trời hiện nay Dù chiếm tỷ trọng khiêm tốn nhưng NLTT luôn trên đà phát triển. - Tăng nhanh nhất là điện mặt trời (điện năng phát ra tăng bình quân hằng năm từ pin mặt trời (photovoltaic – PV) là 60% và từ các nhà máy điện tập trung nhiệt mặt trời là 43%, kế đến là điện gió: 25% và nhiên liệu sinh học tăng 17% mỗi năm. - Dù NLTT có nhược điểm khó khắc phục là hiệu suất khai thác kém vì không ổn định như năng lượng mặt trời chỉ có thể khai thác vào ban ngày, thủy điện phải có đủ nước và gió không phải lúc nào cũng đủ mạnh để chạy các turbine…, nhưng NLTT vẫn đang được đầu tư nghiên cứu và khuyến khích sử dụng trên toàn thế giới nhằm giảm phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm ô nhiễm môi trường. - Các nước dẫn đầu trong nghiên cứu, sản xuất và triển khai ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời là Mỹ, Nhật, Đức, Israel, Trung Quốc,… Năm 2012, Pin năng lượng mặt trời (PV) tiếp tục phát triển mạnh, công suất toàn cầu lên đến 100 GW, trong khi 10 năm trước, năm 2002 chỉ có 2,2 GW. - Tương tự, các nhà máy điện tập trung nhiệt mặt trời rất phát triển,năm 2012 tăng hơn 60% đạt 2.550 MW, trong khi năm 2002 chỉ có 354 MW. - Sự phát triển sử dụng năng lượng mặt trời Hình 1.4. - Các nước dẫn đầu về sử dụng năng lượng mặt trời 1.3. - Tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2. - Ở Việt nam, bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE . - Năng lượng mặt trời ở Việt nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. - Năng lượng mặt trời có thể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt. - Tổng quan 6 Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. - Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. - Vì những lí do trên nên việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời là cấp thiết và luận văn sẽ đi tìm hiểu ứng dụng thực tế bộ biến đổi nghịch lưu nguồn Z sử dụng năng lượng mặt trời. - Cấu hình chung của hệ năng lượng mặt trời tham gia trong mạng điện Dưới đây là cấu hình chung của hệ năng lượng mặt trời (nói riêng và hệ phát điện phân tán nói chung) tham gia trong mạng điện. - Cấu hình chung của hệ năng lượng mặt trời tham gia trong mạng điện Thiết bị biến đổi điện tử công suất có vai trò là khâu ghép nối trung gian giữa hệ phát điện năng lượng phân tán với lưới hoạc phụ tải và có khả năng trao đổi công suất, thiết bị biến đổi điện tử công suất giữ vai trò chính trong hệ thống thường dưới dạng biến đổi DC/AC kiểu NLNA có bổ sung thêm khâu DC/DC với chức năng tăng áp hoạc sử dụng máy biến áp ở đầu ra. - Do đó cần thiết nghiên cứu sử dụng một cấu trúc mạch lực điện tử công suất khác để giảm tổn thất, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của các hệ phát điện phân tán. - NLNZ giới thiệu vào năm 2003,với những đặc tính khác biệt hẳn so với hai bộ biến đổi kể trên mà vẫn có chức năng tương đương, được xem là giải pháp hứa hẹn cho hệ phân tán nói chung và hệ năng lượng mặt trời nói riêng. - Yêu cầu nối lưới của hệ thống điện mặt trời Dưới đây là tiêu chuẩn khi hệ phát điện pin mặt trời tham gia vào lưới điện khi điện áp thay đổi và tần số điện áp ra thay đổi
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt