Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời

56 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO TUABIN GIĨ VÀ NGUỒN PIN MẶT TRỜI Lê Thị Kim Anh* Xin Ai ** TĨM TẮT Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn nĕng lượng giĩ cũng như nguồn pin mặt trời để phát điện cĩ ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hĩa thạch cĩ nguy cơ cạn kiệt, gây ơ nhiễm mơi trường. Nối lưới tuabin giĩ và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử cơng suất cĩ những ưu điểm như: Hệ thống nối lưới chủ động được nguồn nhiên liệu đầu vào, khả nĕng truyền nĕng lượng theo cả 2 hướng. Kết hợp với mạch lọc sẽ giảm sĩng hài qua lưới và loại trừ các sĩng hài bậc cao, điều này cĩ ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện nĕng. Bài báo đã đưa ra được kết quả mơ phỏng điều khiển nối lưới cho tuabin giĩ và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử cơng suất, nh̀m duy trì cơng suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống. Từ khĩa: Các bộ biến đổi điện tử cơng suất, điều khiển nối lưới, nĕng lượng tái tạo.APPLYING OF POWER ELECTRONIC CONVERTERS IN GRID -CONNECTED CONTROL OF WIND TURBINE AND SOLAR CELL SOURCES ABSTRACT The research on using and exploiting effectively wind energy and solar cell sources to generate electricity is meaningful to reduce the climate change. They also reduce dependence of power demand on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and causing environmental pollution. Using power electronic converters for grid connecting of wind turbine and solar cell sources have some advantages such as active fuel input and capability of power transferring in both directions. The combination of harmonic ilter circuits to ilter high order harmonics out of injecting to grid will have a signiical effect on power quality improving. The article gives the result of modulating grid-connected control of an integrated wind turbine and solar cell power system using power electronic converters to maintain maximum capacity of the systems with a disregard of connected power loads. Key words: Power Electronic Converter, Grid-connected control, renewable energy. * GV Khoa điện – điện tử, Trường cao đẳng cơng nghiệp Tuy Hịa. Tỉnh Phú Yên. ** GV Trường Đại Học Điện Lực Hoa Bắc, Trung Quốc. Email: tdhlekimanh@gmail.com 57 Ứng dụng các ... 1. Đặt vấn đề Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng nĕng lượng của con người ngày càng tĕng. Nguồn nĕng lượng tái tạo nĩi chung, nguồn nĕng lượng giĩ và nguồn pin mặt trời nĩi riêng là dạng nguồn nĕng lượng sạch, khơng gây ơ nhiễm mơi trường, đồng thời tiềm nĕng về trữ lượng nĕng giĩ cũng như nguồn pin mặt trời ở nước ta rất lớn.Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn nĕng lượng giĩ và nguồn pin mặt trời sao cho hiệu quả, giảm phát thải các chất gây ơ nhiễm mơi trường, đặc biệt là khí (CO2) đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia. Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC tạo ra điện áp một chiều (DC) được điều chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi, bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện dùng điều chỉnh hịa đồng bộ cho máy phát điện cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết. Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian, đồng thời đưa ra điện áp (AC) nối lưới. Các bộ biến đổi điện tử cơng suất giữ vai trị rất quan trọng trong các hệ thống điều khiển nĕng lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES). Hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin giĩ với nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử cơng suất, nhằm hướng đến phát triển lưới điện thơng minh và điều khiển linh hoạt các nguồn nĕng lượng tái tạo. 2. Các bộ biến đổi điện tử cơng suất Hệ thống điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán (Distributed Energy Resources – DER) nĩi chung và tuabin giĩ với nguồn pin mặt trời nĩi riêng. Theo [1], tuabin giĩ sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous generator - PMSG) kết hợp với nguồn pin mặt trời (Photovoltaic cell) hệ thống bao gồm các thành phần cơ bản, như hình 1. Các bộ biến đổi điện tử cơng suất thực hiện nhiệm vụ như sau: Tuabin giĩ qua máy phát điện cho ra điện áp (AC), qua bộ chỉnh lưu (AC/DC) đưa ra điện áp một chiều (DC). Pin mặt trời cho ra điện áp một chiều (DC). Tất cả các điện áp một chiều (DC) này qua bộ nghịch lưu (DC/AC) đưa ra điện áp (AC) nối lưới. Hình 1. Điều khiển nối lưới cho tuabin giĩ và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử cơng suất 58 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 2.1. Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC Mục đích của bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC là tạo ra điện áp một chiều (DC) được điều chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi, bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC giữ vai trị rất quan trọng trong các hệ thống điều khiển nĕng lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES). Để ổn định điện áp đầu ra cho bộ biến đổi thì địi hỏi các bộ điều khiển phải hoạt động một cách tin cậy, do điện áp ở đầu ra của pin mặt trời khơng đủ lớn để cĩ thể cung cấp chođầu vào của bộ nghịch lưu (DC/AC). Do đĩ ta phải sử dụng bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC để nâng điện áp đầu ra đạt yêu cầu. Theo [2], bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC (Buck – Boots Converter) như hình 2, với giản đồ xung đĩng ngắt như hình 3. Hình 2. Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC [2] Hình 3. Giản đồ xung đĩng ngắt của bộ biến đổi DC/DC [2] 2.1.1. Khi Switch ở trạng thái đĩng Ta xét trong khoảng thời gian t = 0 đến t = DT, điện áp trên cuơn dây L là U i . Khi đĩ cơng suất trên cuộn dây L được tính như sau: dtIU T dtIU T P DT Li DT Liin ∫∫ == 00 11 (1) Với điều kiện dịng qua cuộn dây L là hằng số, cơng suất qua cuộn dây L được viết lại như sau: DIUdtIU T P Li DT Liin == ∫ 0 1 (2) 2.1.2. Khi Switch ở trạng thái ngắt Ta thấy nĕng lượng trên cuộn dây L bắt đầu xả ra, Diode bắt đầu dẫn điện áp trên cuộn dây L cung cấp cho tải U0. Khi đĩ ta cĩ cơng suất trên tải: dtIU T dtIU T P DT L DT LLout ∫∫ == 0 0 0 11 (3) Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL là hằng số lúc đĩ cơng suất đầu ra được viết lại như sau: 59 Ứng dụng các ... )1()(1 00 DIUDTTIU T P LLout −=−= (4) Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như sau:  −−= DDUU i 10 (5) Điện áp sau khi qua bộ biến đổi cơng suất sẽ tĕng lên, nhờ bộ điều khiển xung kích ta cĩ thể điều chỉnh điện áp ra mong muốn bằng việc điều chỉnh D. 2.2. Bộ ch̉nh lưu và bộ nghịch lưu Việc nghiên cứu các bộ chỉnh lưu (AC/DC) và bộ nghịch lưu (DC/AC) điều chế theo phương pháp độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM) hoặc điều chế theo vectơ khơng gian (Space Vector Modulation) được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những nĕm gần đây với những ưu điểm vượt trội như: khả nĕng truyền nĕng lượng theo cả 2 hướng, với gĩc điều khiển được thay đổi được, dung lượng sĩng hài thấp..v.v. 2.2.1. Mơ hình tốn học cho bộ chỉnh lưu Sơ đồ bộ chỉnh lưu điều chế theo phương pháp độ rộng xung (PWM), như hình 4. Theo [3], để đạt được mục tiêu là điều khiển các thành phần cơng suất phát vào lưới từ tuabin giĩ và pin mặt trời...v.v. thì hiện nay cĩ nhiều phương pháp để điều khiển cho bộ chỉnh lưu PWM như phương pháp: VOC, DPC, VFVOC, VFDP. Dựa vào sơ đồ hình 4, ta xây dựng biểu thức điện áp của bộ chỉnh lưu PWM như sau: Hình 4. Sơ đồ dịng điện và điện áp của bộ chỉnh lưu [3] Biểu thức (6) chuyển sang hệ tọa độ dq được viết lại như sau: 2.2.2. Mơ hình tốn học cho bộ nghịch lưu Theo [4], bộ nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp mơt chiều thành điện áp xoay chiều ba pha cĩ thể thay đổi được tần số nhờ việc thay đổi qui luật đĩng cắt của các van, như hình 5. 60 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp: 0321 =++ ttt uuu (8) Gọi N là điểm nút của tải 3 pha dạng hình (Y). Dựa vào sơ đồ hình 5, điện áp pha của các tải được tính như sau: { NOt Nt Nt uuu uuu uuu −= −= −= 303 0202 0101 (9) Với 3 302010 0 uuu uN ++= (10) Thay biểu thức (10) vào biểu thức (9) ta cĩ phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như sau: { 3 2 3 2 3 2 201030 3 103020 2 302010 1 uuu u uuu u uuu u t t t −−= −−= −−= (11) Điện áp dây trên tải được tính như sau: { Ot t t uuu uuu uuu 13031 302023 201012 −= −= −= (12) 61 Ứng dụng các ... Thành phần điện áp thứ tự khơng cĩ thể bỏ qua vì giả thiết tải đối xứng, nên điện áp thứ tự khơng sẽ khơng tạo ra dịng điện. Tuy nhiên nếu trong trường hợp cĩ hai bộ nghịch lưu nối song song với các điểm nối trực tiếp ở cả phía xoay chiều và một chiều sẽ gây ra dịng điện thứ tự khơng chạy vịng vì xuất hiện đường dẫn của nĩ, khi đĩ ta khơng thể bỏ qua dịng điện thứ tự khơng. y Tác hại của sĩng hài bậc cao đến bộ nghịch lưu Biên độ sĩng hài cĩ thể xác định dựa theo khai triển chuỗi Fourier của điện áp ngõ ra như sau: ).cos().sin( 11 xkbxkaUu k k k ktAVt ∑∑ ∞=∞= ++= (13) ∫= ππ 20 ).sin(1 dxxkua tk Với: ∫= ππ 20 ).cos(1 dxxkub tk ∫= ππ 20 .21 dxuU ttAV Biên độ sĩng hài bậc k: Ak ( )2122 kkk baA += (14) Thơng thường dạng áp của tải cĩ tính chất của hàm lẽ, do đĩ: bk=0, Ak = ak. Biên độ sĩng hài cơ bản Ut(1)m: ∫== ππ 201)1( .sin1 dxxuAU tmt (15) Và biên độ sĩng hài bậc k: ∫== ππ 20)( )..sin(1 dxxkuAU tkmkt (16) 2.2.3. Cấu trúc điều khiển cho bộ chỉnh lưu và nghịch lưu Theo [5], giá trị đầu ra của điện áp qua bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa độ dq được xác định như sau: ( ) qddddidpd Lieii S KKV ω++− +−= ** (17) ( ) dqqqqiqpq Lieii S KKV ω−+− +−= ** (18) 62 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Hình 7. Sơ đồ điều khiển cho 2 mạch vịng dịng điện [5] Hình 8. Điều khiển mạch vịng của dịng điện [5] 3. Mơ hình tuabin giĩ và pin mặt trời 3.1. Mơ hình tuabin giĩ Theo [6], cơng suất của tuabin giĩ được tính theo biểu thức: 3 2),( v ACP pm ρbλ= (19) Trong đĩ: Pm: Cơng suất đầu ra của tuabin (W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi nĕng lượng (là tỷ số giữa tốc độ đầu cánh λ và gĩc cánh β); A: Tiết diện vịng quay của cánh quạt (m2); ρ: Mật độ của khơng khí, ρ = 1.255 (kg/m3). Từ biểu thức (19) ta thấy vận tốc giĩ là yếu tố quan trọng nhất của cơng suất; cơng suất đầu ra tĕng theo lũy thừa 3 của vận tốc. Hệ số biến đổi nĕng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (19) được tính như sau: λbλbλ λ 0068.0)54.0116(5176.0),( 21 +−−= − ieC ip (20) với 31 035.0 08.0 11 bbλλ +−+=i (21) y Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin giĩ và tốc độ là: vRωλ = trong đĩ ω tốc độ quay của tuabin, R bán kính của tuabin, v vận tốc của giĩ. Do vậy mơmen của tuabin giĩ được tính như sau: 3 3 5 2 1 λωπρω pmm CRPT == (22) Mặt khác tuabin giĩ cĩ thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc độ của giĩ. Đường cong biểu diễn mối quan giữa Pm và tốc độ giĩ, như hình 9. Từ các biểu thức (19), (20), (21), (22) đã phân tích ở trên, mơ hình tuabin giĩ được xây dựng trên Matlab/Simulink với thơng số đầu vào tốc độ giĩ, tốc độ của máy phát điện và thơng số đầu ra mơmen, như hình 10. 63 Ứng dụng các ... Hình 9. Đường cong mối quan giữa Pm và tốc độ giĩ Hình 10. Mơ hình tuabin giĩ 3.2. Mơ hình máy phát điện (PMSG) Mơ hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) cĩ hai loại hệ trục tọa độ được sử dụng: hệ tọa độ ab gắn cố định với stator và hệ tọa độ dq cịn gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ thơng rotor, như hình 11. Theo [7], phương trình dịng điện và điện áp của PMSG biểu diển trên hệ tọa độ dq như sau: sd sd sq sd sq ssd sd sd uLiL Li Tdt di 11 ++= ω (23) sq p ssq sq sq sq sd sq sd s sq LuLiTiL L dt di ψωω −+−−= 11 (24) Trong đĩ: Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực; pψ từ thơng cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq là hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực. Phương trình mơmen tính như sau: [ ])(23 sqsdsqsdsqpcM LLiiiPm −+= ψ (25) Để xây dựng mơ hình PMSG trên matlab /simulink dựa vào biểu thức (23),(24),(25), như hình 12. Hình 11. Hệ trục tọa độ αβ và dq Hình 12. Mơ hình máy phát điện PMSG 64 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 3.3. Mơ hình pin mặt tr̀i (PV) * Theo quan điểm nĕng lượng điện tử, thì pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) cĩ thể được coi là như những nguồn dịng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V như hình 13. Hình 13. Đặc tính làm việc của pin mặt trời Hình 14. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời Hiệu suất của tấm pin mặt trời đạt giá trị lớn nhất khi pin mặt trời cung cấp cơng suất cực đại. Theo đặc tính phi tuyến trên hình 13 thì nĩ sẽ xảy ra khi P-V là cực đại, tức là P-V = Pmax tại thời điểm (Imax,Vmax) được gọi là điểm cực đại MPP (Maximum Point Power). Hệ bám điểm cơng suất cực đại MPPT (Maximum Point Power Tracking) được sử dụng để đảm bảo rằng pin mặt trời luơn luơn làm việc ở điểm MPP bất chấp tải được nối vào pin. * Dịng điện đầu ra của pin theo [8], được tính như sau:  +− − +−= sh sc ssph RIRVAKT IRVqIII 1(exp (26) Trong đĩ: q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k: hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K, I s : là dịng điện bão hịa của pin, Iph: là dịng quang điện, Tc: nhiệt độ làm việc của pin, Rsh : điện trở shunt, Rs : điện trở của pin, A: hệ số lý tưởng. Theo biểu thức (26) dịng quang điện phụ thuộc vào nĕng lượng mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin do đĩ:[ ]HTTKII refcIscph .)( −+= (27) Với: Isc: là dịng ngắn mạch ở nhiệt độ 250C, KI: hệ số nhiệt độ của dịng điện ngắn mạch, Tref: nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), H: bức xạ của mặt trời kW/m2. Ở đây giá trị dịng điện bão hịa của pin với nhiệt độ của pin được tính như sau:  −= kATT TTqETTII cref refcGrefcRSs (exp)( 3 (28) Trong đĩ: IRS: là dịng bão hịa ngược ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời, EG: nĕng lượng vùng cấp của chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng và cơng nghệ làm pin. Mặt khác một pin mặt trời cĩ điện áp khoảng 0,6V, do đĩ muốn cĩ điện áp làm việc cao thì ta mắc nối tiếp các pin, muốn cĩ dịng điện lớn thì mắc song song, như hình 15. Vậy dịng điện một modul tấm pin sẽ là: (29) 65 Ứng dụng các ... Hình15. Dịng điện 1 modul tấm pin Từ các biểu thức (26), (27), (28), (29) đã phân tích ở trên, mơ hình pin mặt trời được xây dựng trên Matlab/Simulink với các ngõ vào là dịng điện, nhiệt độ. Ngõ ra là cơng suất và điện áp của pin, như hình 16. Hình 16. Mơ hình pin mặt trời(PV) 4. Mơ phỏng trên Matlab – Simulink Hình 17. Điều khiền nối lưới cho tuabin giĩ và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử cơng suất y Kết quả mơ phỏng Hình 18. Điện áp ra DC bộ biến đổi DC/DC (V) Hình 19. Điện áp ra DC bộ chỉnh lưu (V) Hình 17. Điều khiền nối lưới cho tuabin giĩ và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử cơng suất 66 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Hình 20. Điện áp AC bộ chỉnh lưu (V) Hình 21. Điện áp ra bộ nghịch lưu (V) Hình 22.Cơng suất của pin(W) Hình 23. Dịng điện và điện áp của pin Hình 24. Cơng suất tuabin giĩ(W) Hình 25. Cơng suất tổng ( tuabin giĩ+ pin)(W) Hình 26. Điện áp ngõ ra Uabc(V) Hình 27. Dịng điện ngõ ra Iabc(A) Hình 28. Điện áp nối lưới Uabc(V) Hình 29. Dịng điện nối lưới Iabc(A) 5. Kết luận Điều khiển nối lưới cho tuabin giĩ và nguồn pin mặt trời ứng dụng các bộ biến đổi điện tử cơng suất, kết hợp với giải thuật điều khiển bám điểm cơng suất cực đại (MPPT), đã phát huy đối đa cơng suất phát ra, đồng thời cơng suất pin mặt trời (PV) thu được luơn đạt giá trị cực đại. Tại thời điểm t = 0.02s đĩng tải, dịng điện và điện áp đầu ra luơn bằng giá trị đặt và hệ thống 67 Ứng dụng các ... điều khiển luơn làm việc ở trạng thái ổn định. Mơ hình nối lưới được thơng qua máy biến áp 400V/22kV và đường dây tải điện. Điều khiển nối lưới cho tuabin giĩ và nguồn pin mặt trời ứng dụng các bộ biến đổi điện tử cơng suất nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thơng minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn phân tán. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodriguez, 2011, Gird converters for Photovoltaic and Wind Power Systems, A John Wiley and sons, Ltd, Publication. [2] Bengt Johansson, 2003, Improved Models for DC-DC Converters, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation Lund University. [3] Haoran Bai, Fengxiang Wang, Junqiang Xing, 2007,Control Strategy of Combined PWM Rectiier/ Inverter for a High Speed Generator Power System, IEEE. [4] Nguyễn Vĕn Nhờ, Điện tử cơng suất, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. [5] Degang Yang, Liangbing Zhao, Runsheng Liu, 1999, Modeling and closed – loop cotroller design of three – phase high power factor Rectiier, power Electronics, 49 – 52. [6] Đặng Ngọc Huy, Lê Kim Anh, 2012, Nghiên cứu mơ hình tuabin giĩ sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lưới, Tạp san khoa học và cơng nghệ, Đại Học Cơng Nghiệp Quảng Ninh, Số (10), 43-47. [7] Nguyễn Phùng Quang, 2006, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật. [8] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc Huy, 2012, Mơ hình điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời, Tạp chí khoa học và cơng nghệ, Đại Học Đà Nẵng, Số 11(60), 1-6