LỜI NÓI ĐẦU
Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển
đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng
điện là hết sức cần thiết. Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện
áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Một bộ nâng điện áp là một
bộ biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào, nó thường được sử
dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như hệ thống quang điện, hệ thống pin
nhiên liệu, để tăng điện áp đầu ra của các hệ thống này lên mức yêu cầu phù hợp.
Bộ biến đổi DC-DC hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị
biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng
lượng tái tạo (sức gió, mặt trời). Các bộ biến đổi DC-DC trong các hệ thống năng
lượng lưu trữ giúp cho các hệ thống năng lượng tái taọ khắc phục được các hạn chế
của nó. Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều
khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu
của các công trình nghiên cứu. Vì vậy em được bộ môn giao cho đề tài tốt nghiệp “
Nghiên cứu bộ biến DC-DC bidrectional trong các hệ thống năng lượng tái tạo”.
Đồ án gồm có 3 chương :
Chương 1 : Tổng quan về các hệ thống năng lượng tái tạo
Chương 2 : Nghiên cứu các bộ biến đổi DC-DC
Chương 3 : Tổng hợp bộ điều khiển cho các bộ biến đổi DC-DC
bidrectional
Trong quá trình nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong
Bộ môn Điện tự động Công nghiệp đặc biệt là thầy giáo TH.S PHẠM TUẤN
ANH, cùng với sự nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành được đồ án này.
Sinh viên
Mai Đình Hiển
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
1
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Sơ đồ khối chung trình bày về điện tử công suất kết hợp cùng với hệ thống
DE (distributed energy) trình bày trong hình 1.1. Các giao diện điện tử công suất
tai
PCC
Modul dieu
khien
Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống điện tử công suất điển hình
1.2. HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN
1.2.1. khái quát chung
Công nghệ quang điện liên quan đến việc chuyển đổi trực tiếp năng lượng
mặt trời thành năng luợng điên bằng phuơng pháp của một tế bào năng luợng mặt
trời . một tế bào năng luợng mặt trời thường được sản xuất bằng các thiết bị bán
dẫn như silicon tinh thể và hấp thụ ánh sáng mặt trời tạo ra điện thông qua một quá
trình hiệu ứng quang điện . hiệu quả của một tế bào năng lượng mặt trời được xác
định bởi khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện có thể sử
dụng được và thường là khoảng 10-15%. Do đó, để sản xuất số lượng đáng kể năng
lượng điện, các tế bào năng lượng mặt trời phải có diện tích bề mặt lớn.
Các tế bào năng lượng mặt trời thường được sản xuất riêng lẻ và kết hợp với nhau
thành các modul bao gồm từ 36 tới 72 tế bào, tuỳ thuộc vào điện áp và dòng điện
đầu ra của các modul. Các modul khác nhau về kích thước của nhà sản xuất , nhưng
thường là từ 0,5 đến 1m
2
. và tạo ra khoảng 100W/m
2
năng lượng trong điều kiện
tối đa cho 1 modul với hiệu suất khoảng 10% . Ngoài ra các modul cũng có thể
đuợc nhóm lại với nhau với khối lượng và cấu hình khác nhau (đuợc nói rõ ở phần
3
sau) để tạo thành các mảng có đặc tính dòng điện và điện áp đặc trưng. Phân biệt
giữa modul và các mảng là rất quan trọng khi xem xét giao diện điện tử công suất.
Hình 1.2 trình bày các tấm PV (Photovoltaic) điển hình cấu thành mảng . Đối với
một hệ thống PV(Photovoltaic) điện áp DC đầu ra là 1 hằng số có độ lớn phụ thuộc
1.3 trình bầy cấu hình ờ đó một biến tần tập trung được sử dụng. đây là một là cấu
trúc phổ biến duy nhất đã sử dụng . Các modul PV được kết nối nối tiếp hoặc song
song với nhau và kết nối tới bộ biến đổi tập trung DC-AC . Ưu điểm chính của thiết
kế này là nếu biến tần là bộ phận tốn kém nhất của hệ thống, thì hệ thống này có
chi phí thấp nhất vì có mỗi sự hiện diện cuả biến tần . Những bất lợi chính của cấu
hình này là các tổn thất công suất có thể cao hơn do sự không phù hợp giữa các
modul PV và sự hiện diện của các diot String (chuỗi). Một bất lợi khác là cấu hình
này có một điểm duy nhất hỏng tại biến tần , do vậy nó có độ tin cậy thấp hơn.
5
Tam
PV
Tam
PV
Tam
PV
Tam
PV
Tam
PV
Tam
PV
bo bien doi
chinh
Diot
String
luoi
Hình 1.3: cấu hình tập trung PV
Hình 1.4 trình bày cấu hình một chuỗi mảng hệ thống PV. Một loạt các tấm PV
được kết nối theo hình thức một chuỗi. Thông thường, 15 tấm được kết hợp với
nhau trong chuỗi và kết nối với nhau thông qua lợi ích cùng với một biến tần cho
V
Tam P
V
Tam P
V
Tam P
V
Tam P
V
Tam P
V
Luoi
DC-AC
DC-DC
DC-DC
(b)
Hình 1.4: Các mảng PV với cấu trúc nhiều chuỗi
Hình 1.5 trình bày cấu hình mà mỗi modul PV được ghép nối với biến tần riêng của
nó.thiết kế này được biết đến như một modul AC, Ưu điểm của hệ thống là nó đơn
giản để thêm các modul vì mỗi một modul có một biến tần DC-AC riêng và được
kết nối tới lưới được thực hiện bằng cách kết nối các wirings trường biến tần AC
với nhau. Ngoài ra còn có một sự cải thiện tổng thể độ tin cậy của hệ thống bởi vì
không có điểm thất bại duy nhất cho hệ thống. Nó có độ linh hoạt cao . Tuy nhiên
các vi dụ này vẫn còn rất tốn kém so với hệ thống PV thông thường vì phải sử dụng
7
nhiều biến tần Các tổn thất điện năng của hệ thống là giảm do sự không tương thích
giữa các phần giảm, nhưng các tổn thất liên tục trong biến tần có thể là giống như
đối với các biến tần chuỗi.Các thiết bị điện tử công suất được lắp đặt bên ngoài
cùng với các tấm PV và cần phải được thiết kế để hoạt động trong môi trường
ngoài trời .Các modul AC là một lựa chọn đầy hứa hẹn cho tương lai vì nó có thể
bày ở hình 1.7, trong đó sử dụng một biến áp tần số cao cho việc kết nối điện áp 1
pha vào lưới.Điện áp DC đầu vào được đảo chiều để tạo ra một AC tần số cao bên
phần sơ cấp của biến áp tần số cao . điện áp thứ cấp của biến áp được chỉnh lưu kết
quả điện áp DC đầu ra được đưa qua một bộ biến tần nguồn dòng thyristor . dòng
đầu ra yêu cầu phải sin và cùng pha với điện áp dây . Các dạng sóng điện áp đó
được phải tham chiếu với dạng sóng hình sin của dòng điện có biên độ được xác
9
định theo một bộ điều khiển. biến tần có thể được điều khiển bằng cách sử dụng
các bộ điều chỉnh dòng điện
Tam P
V
Tam P
V
Tam P
V
Luoi
bien ap
xung
Hình 1.7: Cấu trúc một pha nhiều tầng
c. Ba pha
Đối với hệ thống trên 10kw, hầu hết thường sử dụng biến tần 3 pha .Nhũng
cấu hình mô tả cho hệ thống 1 pha có thể sử dụng cho hệ thống 3 pha . việc cách ly
với lưới có thể sử dụng 1 máy biến áp tần số cao (biến áp xung).Trong trường hợp
sau cần bổ sung một bộ biến đổi DC từ các tấm PV thành AC tần số cao.
Hình 1.8 trình bày một cấu trúc cơ bản của hệ thống 3 pha có sử dụng một biến áp
3 pha. Đầu ra DC của các mảng PV được kết nối với một tụ lọc .Đầu ra của tụ lọc
được đưa tới đầu vào của biến tần nguồn áp 3 pha . Đầu ra của mỗi pha được nối
với 1 cuộn cảm và 1 tụ điện để giảm sóng hài bậc cao trước khi đưa vào hệ thống
AC. Tổng điện áp đầu ra AC tương thích với bộ điều khiển của các thiết bị chuyển
mạch. Một biến áp 3 pha được sử dụng để kết nối với lưới.
thống PV cùng với giao diện điện tử công suất và điều khiển được trình bày trên
hình 1.10.
Các mạch điện tử công suất trình bày trên hình 1.10 bao gồm có một bộ biến đổi
DC-DC và một bộ biến tần ba pha. Bộ biến đổi DC-DC dựa trên nghịch lưu nguồn
dòng cầu full bridge và biến áp tần số cao được nhúng vào và chỉnh lưu. Như vậy
bộ nghịch lưu này bao gồm việc cách ly giữa chuỗi PV và lưới . hệ thống này dễ
dang thục hiện việc nối đất và phù hợp với Điều NEC 690 yêu cầu . Tầng vào
nguồn dòng có lợi vì nó giảm yêu cầu cho các tụ lọc mắc song song với các chuỗi
PV . Điện áp ra của chuỗi PV ban đầu được chuyển thành điện áp AC có tần số cao
, cách ly và tăng điện áp lên thông qua việc sử dụng một biến áp tần số cao Điện áp
thứ cấp của biến áp được chỉnh lưu sử dụng chỉnh lưu cầu full bridge .Điện áp DC
chỉnh lưu sẽ tương thích với điện áp AC và sau đó được kết nối tới lưới bằng việc
sử dụng một biến tần 3 pha nguồn áp.
Theo dõi điểm công suất tối đa(MPP) của mảng PV là một vấn đề cơ bản của hệ
thống PV.Trong những năm qua nhiều phương pháp MPPT đã được phát triển và
thực hiện Những phương pháp này khác nhau về độ phức tạp, yêu cầu cảm biến,
tốc độ hội tụ, chi phí, hiệu quả, phần cứng thực hiện, phổ biến, tên của một số
phương pháp như : hill climbing, perturb and observe, incremental conductance,
fractional open-circuit voltage, fractional short-circuit current, fuzzy logic and
neural network control, ripple correlation control, current sweep, DC-link capacitor
droop control, load-current or load-voltage maximization, and dP/dV or dP/dI
feedback control.
Hình 1.10 giới thiệu một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả cho MPPT. Bằng
cách đo điện áp và dòng điện. công suất đầu ra của mảng PV được tính toán và so
sánh với công suất ra của mảng PV thực tế .Phụ thuộc vào kết quả so sánh chu kỳ
duty được thay đổi để điều khiển dòng đầu vào cho biến tần nguồn dòng. Quá trình
12
này lặp lại cho đến khi điểm công suất tối đa đạt tới. Các loại bộ điều khiển của
MPPT cũng được phát triển trong khuôn khổ của cùng một bộ điều khiển. hơn nữa
ngoài ra bộ điều khiển có thể được thiết kế để điều khiển biên độ điên áp AC tần số
nhiên liệu. Anot của các pin nhiên liệu – là một kết nối tiêu cực để dẫn các điện tử -
những hạt được giải phóng từ các phân tử hydro áp lực, làm ăn mòn các kênh do sự
phân bố đều của khí hydro áp lực trên bề mặt của chất xúc tác.
14
Cathode là kết nối tích cực của các tế bào nhiên liệu,nó mang lại điện tử từ các
mạch điện bên ngoài tới các chất xúc tác, nơi mà nó kết hợp với các ion hydro và
ôxy, tạo thành nước, đó là các sản phẩm phụ của các pin nhiên liệu. Chất điện phân
là màng trao đổi proton, một loại vật liệu đặc biệt được điều trị, cho phép truyền
dẫn các ion tích điện dương, trong khi không cho phép các điện tử đi qua nó. Có
một chất xúc tác tạo điều kiện cho các phản ứng của oxy và hydro. Chất xúc tác
này thường làm bằng bột bạch kim phủ trên một giấy than hoặc vải. Chất xúc tác là
lỗ hổng để tăng tối đa diện tích bề mặt tiếp xúc giữa khí hydro và oxy. Phía bạch
kim tráng của bề mặt chất xúc tác là chất điện phân. Hình 1.12 dưới đây cho thấy
một hình ảnh của một tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC). Phản ứng
được mô tả trong một tế bào, dẫn đến tạo ra điện áp khoảng 0,7 vôn. Nhiều pin
nhiên liệu thường được ghép nối tiếp với nhau thành một bộ để tăng điện áp lên.
(Distributed Utility Associates 2003).
Hình 1.12: Quá trình trao đổi proton
Một số vấn đề kỹ thuật cần được khắc phục trước khi PEMFC có thể được áp dụng
rộng rãi cho mục đích năng lượng tĩnh. Hầu hết các hệ thống sử dụng vật liệu đắt
tiền và có một thời gian sử dụng ngắn trước khi hư hỏng .Việc sử dụng hydro tinh
khiết gây ra sự tổn hao của các vật liệu điện và chất xúc tác, có thể dẫn đến thay thế
toàn bộ các tế bào nhiên liệu sau khi hoạt động bị hạn chế. Một trong những hàng
rào kỹ thuật lớn nhất để áp dụng rộng rãi PEMFCs là sự phát triển của hệ thống lưu
trữ và phân phối hydro an toàn .Hidro có tỉ số năng lượng/hệ số thể tích thấp hơn so
15
với các nhiên liệu khác .Nghiên cứu đổi mới đang được tiến hành để đạt được sự
lưu trữ hydro như điện gió, sản xuất nhiệt hóa học, lưu trữ hidro hóa chất…
1.3.2. Cấu hình của hệ thống pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu cũng như các hệ thống PV nó cung cấp nguồn DC. Hệ thống
cascaded DC-DC và DC-AC và cấu trúc cascaded DC-AC và AC-AC. Ngoài ra
thời gian gần đây còn có phát triển hoặc đề xuất cho những ứng dụng của pin nhiên
liệu bao gồm một bộ chuyển đổi nguồn Z kết hợp chức năng tăng áp của bộ DC-
DC và biến tần nguồn áp (VSI) (Blaabjerg et al. 2004).
Cấu trúc Cascaded DC-DC và DC-AC (DC-Link)
Có nhiều cấu trúc có thể sử dụng bộ biến đổi DC-DC và biến tần DC-AC.Bô biến
đổi DC-DC kinh điển là bộ biến đổi cầu H như ở hình 1.16 (a) là một sự phát triển
mạnh mẽ đã được chứng minh. Tuy nhiên để giảm tổn thất chuyển đổi , chuyển
mạch mềm PE giống như bộ biến đổi cầu có cộng hưởng nối tiếp hình 1.16 (b)
17
Hình 1.16: Cấu trúc các bộ biến đổi DC-DC
Có thể sử dụng bộ chuyển đổi phức tạp tuy nhiên dạng sóng phải chính xác hoặc
chế độ điều khiển dòng phải ngăn ngừa bão hòa từ biến áp tràn qua để tránh gây
thiệt hại. Lợi ích chính của cộng hưởng là bảo vệ ngắn mạch và làm cho biến áp
không bị bão hòa từ. Hình 1.16 (c) cho thấy một bộ biến đổi DC-DC kiếu push-pull
nó đòi hỏi điện áp và dòng điện cao . Cầu chỉnh lưu diot ở hình 1.16 cũng có thể
được thay thế bằng chỉnh lưu half-bridge.
Các biến tần 3 pha có thể được sử dụng cho việc kết nối với lưới 3 pha. Hình 1.17
trình bày 2 cấu trúc biến tần thông dụng cho ứng dụng của hệ thông pin nhiên liệu.
Chuyển đổi hard-switching được thiết kế và kiểm nghiệm tốt và được sử dụng cho
các ứng dụng công nghiệp. tuy nhiên bị tổn thất khi chuyển mạch.
Biến tần có các nhánh cộng hưởng được trình bày trong hình 1.17 và nó là một cải
tiến của biến tần hard-switching cùng với ZVS. Một biến đổi điều chế tần số có thể
cải thiện phạm vi chuyển đổi mềm. Cộng hưởng nhánh clamp biến tần là một cải
thiện của của biến tần kinh điển. khi đó điện áp của DClink cao gấp hai lần điện áp
DC link ban đầu . Sau khi bổ sung thêm thiết bị nhánh clamp điện áp DC link có
thể được điều khiển 1,3 lần so với điện áp đầu vào. Tuy nhiên chỉ có phương pháp
điều biến mới có thể được sử dụng.
18
Hình 1:17. Bộ nghịch lưu ba pha
nguồn năng lượng của nó, thường là những nguồn năng lượng tái tạo như PV
không có khả năng điều phối riêng. Trong giai đoạn nhu cầu thấp năng lượng dư
thừa có thể sử dụng để nạp cho các thiết bị lưu trữ.Hệ thống lưu trữ có thể được sử
dụng để cung cấp năng lượng trong giai đoạn nhu cầu cao.
Có nhiều công nghệ có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng trên hệ thống năng
hữu ích. Trong số các công nghệ này, ắc quy và bánh đà thường được tích hợp ở
cấp hệ thống phân phối và thương mại.
Phần này ta sẽ nghiên cứu hệ thống lưu trữ dùng ắc quy,và một số mạng lưới phổ
biến có quan hệ với nhau, để hiệu suất của hệ thống đạt lớn nhất. Ắc quy được kết
nối thông thường là các ăc quy axit. ắc quy axit bao gồm các điện cực của kim loại
chì và của oxit chì ngập trong chất điện phân gồm có 35% axit và nước. dung dịch
chất điện sản xuất ra các electrons, phân tạo dòng năng lượng chảy thông qua các
mạch điện bên ngoài.
Các ắc quy axit là hình thức phổ biến của hệ thống lưu trữ năng lượng điện ngày
nay.nó có một lịch sử thương mại của hơn một thế kỷ, và đang được áp dụng trong
mọi lĩnh vực của hệ thống,công nghiệp, bao gồm : viễn thông , điện dự phòng.Bời
vì chi phí thấp . Các ắc quy axit luôn là sự lựa chọn mặc định cho hệ thống lưu trữ
trong các ứng dụng mới. sự phổ biến này cũng gặp nhiều khó khăn như năng lượng
riêng thấp, công suất riêng , và tuổi thọ ngắn và các mối nguy hiểm đối với môi
trường.
Chu kỳ ắc quy được thiết kế để phóng với thời gian gần đúng là 80% cùng với hiệu
suất khoảng 85-95%. Tất cả các pin axit cung cấp khoảng 2,14V/tế bào (12,6 V đến
12,8 V cho một ắc quy 12 volt) khi sạc đầy. Ắc quy lưu lượng làm việc tương tự
như ăc quy axit , nhưng điện cực được lưu trữ trong các thùng chứa bên ngoài và
lưu thông thông qua các tế bào pin ngăn xếp theo yêu cầu. Bể chứa bên ngoài của
chất điện phân nạp lại được có thể lớn hơn sự cần thiết và được đặt ở nơi an
toàn.Bởi vì mật độ năng lượng cao và chi phí tương đối thấp của kẽm, công nghệ
sạc pin kẽm từ lâu đã được coi là hấp dẫn đối với hệ thống lưu trữ năng lượng có
21
quy mô lớn. Tương tự như vậy, dòng pin được công nhận là một công nghệ thuận
ghép nối.
luoi
ac quy
ac quy
ac quy
ac quy
ac quy
ac quy
Hình 1.20: Hệ BESS cùng với biến tần 1pha
Một bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng ở giữa hệ BESS và biến tần như
hình 1.21. Bộ biến đổi DC-DC phải là bộ biến đổi hai chiều và chủ yếu cung cấp đủ
điện áp cho đầu vào của bộ nghịch lưu để đạt được yêu cầu độ lớn điện áp AC tạo
ra. Ngoài ra trong một số cấu trúc điện tử công suất , biến áp tần số cao được sử
dụng ở bộ biến đổi DC-DC để cách ly.
DC-DC
luoi
ac quy
ac quy
ac quy
ac quy
ac quy
ac quy
Hình 1.21: Hệ BESS với cấu trúc cascaded DC-DC và DC-AC
Ngoài ra ở hệ thống lưu trữ năng lượng pin rất hay sử dụng cùng với các loại nguồn
năng lượng của hệ thống lai.(hybrid).Khi sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như
23
gió, PV, hệ BESS có thể bù đắp sự gián đoạn theo ngày và mùa của năng lượng này
và làm cho sự dao động tải bằng phẳng, tạo điều kiện cho hoạt động đảo. Hình 1.22
cho thấy một hệ thống lai có hệ BESS bao gồm năng lượng hệ thống gió.Ắc quy
được tích hợp vào bus DC của hệ thống năng lượng sức gió bằng cách sử dụng một
đầu ra tương ứng với việc điều khiển các thiết bị chuyển mạch và bao gồm một bộ
điều khiển các xung dương và âm tương ứng với nửa chu kỳ dương và âm của hình
sin.
Hình 1.23: Cấu trúc điện tử công suất sử dụng nghịch lưu 1 pha và 3 pha
Phổ biến nhất là cấu trúc hai tầng của hệ BESS bao gồm có bộ nghịch lưu nguồn áp
được ghép nối với lưới cùng với bộ biến đổi DC-DC hai chiều . Bộ nghịch lưu cầu
full-bridge điều khiển dòng điện lưới bằng phương pháp điều biến độ rộng
xung(PWM). Một thiết kế đơn giản cho cấu trúc điện tử công suất hai tầng như
hình 1.24 kết hợp với một bộ biến đổi DC-DC full-bridge có thể hoạt động ở bất kỳ
phân cực điện áp và dòng điện. biên độ và phân cực điện áp có thể được thiết lập
mà không phụ thuộc vào chiều dòng điện.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©