(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ biến đổi DC DC giảm áp tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời vừa và nhỏ

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn nhất hiện nay, với tổng năng lượng dồi dào và khả năng sẵn có ở mọi nơi trên thế giới.

Trong hệ thống điện mặt trời, các tế bào quang điện được ghép nối theo cả chiều nối tiếp và song song để tạo thành module, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện Các module này sau đó được ghép nối theo dạng chuỗi (string), và nhiều chuỗi song song với nhau tạo thành một mảng (array), tăng khả năng sản xuất điện và đảm bảo tính linh hoạt trong thiết kế hệ thống Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các tế bào hoặc tấm pin trong chuỗi không nhận được cường độ bức xạ đều nhau, có thể do bóng cây hoặc công trình gần đó gây cản trở hoặc bóng di động do thời tiết nhiều mây, khiến các tấm pin có bức xạ thấp hoạt động như các tải tiêu thụ công suất theo định luật của Kirchhoff, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống điện mặt trời.

1 Do việc này có thể làm tấm pin trở nên quá nhiệt, mỗi tấm pin được gắn 1 diode bypass để khi bị bóng che không có dòng điện làm nóng tấm pin Đặc tuyến I – V và đặc tuyến P – V của tấm pin cũng bị thay đổi khi có hiện tượng bóng che bởi dòng điện bị giới hạn bằng dòng điện của tấm có bức xạ thấp (Hình 1.1) Cho nên, đặc tuyến P – V lúc này không chỉ có một cực trị như trường hợp bức xạ đồng nhất Số lượng cực trị bằng với số mức bức xạ khác nhau áp lên các tấm pin

Hình 1.1: Đặc tuyến I - V và P - V của chuỗi pin mặt trời khi có bóng che

Hiện tượng bóng che gây khó khăn trong việc điều khiển công suất của tấm pin mặt trời ở chế độ MPPT do các phương pháp tìm kiếm điểm cực đại hiện tại chỉ tìm được một điểm cực trị duy nhất, khả năng cao là local maximum power point (LMPP) Để giải quyết vấn đề này, đã có nhiều giải pháp khác nhau, trong đó có hướng tiếp cận mới bằng các thuật toán meta heuristic như đã đề cập trong các tài liệu [2], [3] Tuy nhiên, các thuật toán này dù xác định chính xác điểm LMPP cao nhưng lại có thời gian xác lập lâu và chất lượng năng lượng thấp do dao động lớn Một giải pháp khác là tái cấu hình hệ thống pin bằng cách đặt các khóa điện điều khiển nhóm các tấm pin mặt trời cùng cường độ bức xạ, như đề xuất trong [4], nhằm tích hợp các tấm pin có cùng mức bức xạ vào chung một chuỗi Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp khi hệ thống quá lớn với nhiều thiết bị đóng cắt cần thiết.

Nghiên cứu [5] so sánh các cấu hình pin mặt trời song song, nối tiếp và hỗn hợp, cho thấy cấu hình song song cho công suất cao hơn khi cùng điều kiện bóng che, đồng thời giảm khả năng bẫy vào cực trị địa phương Tuy nhiên, hệ thống mắc nối tiếp hoạt động ở điện áp thấp hơn nhưng chịu dòng điện cao hơn, tạo áp lực lớn hơn cho các bộ biến đổi tập trung Các phương pháp xây dựng cấu hình các bộ giảm áp DC-DC tỉ số cao, được tổng hợp trong các bài báo [6], [7], [8], gặp hạn chế lớn do dòng điện lớn, giới hạn công suất Trong [9], các bộ MPPT nhỏ tích hợp vào từng tấm pin rồi nối tiếp giúp tối ưu hiệu suất Bài báo [10] đề xuất cấu hình mạch tăng áp DC tỉ số cao điều khiển điện áp trong phạm vi rộng Đặc tuyến P–V của mỗi bộ DC–DC chỉ có một cực trị duy nhất, giúp đơn giản hóa phần mềm và đạt công suất tương đương cấu hình mắc song song.

Tuy nhiên, phương án này đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn và phát sinh thêm vấn đề về độ phức tạp của hệ thống

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng cao, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đã gần đến giới hạn khai thác Trước thực trạng này, các phương án năng lượng thay thế, đặc biệt là năng lượng tái tạo, đã được đẩy mạnh phát triển Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời nổi bật nhờ khả năng cung cấp lượng lớn năng lượng sạch và bền vững.

Các thiết bị điện tử công suất hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong công nghệ pin mặt trời Trong hệ thống này, các bộ chuyển đổi công suất đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi giữa các dạng điện năng như AC – DC, DC – DC và DC – AC để phù hợp với nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, nguồn công suất đầu vào từ các nguồn năng lượng tái tạo thường không ổn định do phụ thuộc vào yếu tố thời tiết, khiến việc điều chỉnh trở nên khó khăn Chính vì vậy, các bộ biến đổi công suất thường được tích hợp với thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) nhằm tối đa hóa công suất thu về, nâng cao hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời.

Trong hệ thống pin mặt trời điển hình, các tấm pin thường được mắc nối tiếp nhằm giảm chi phí dây dẫn và tối ưu dòng điện hoạt động nhỏ nhất Tuy nhiên, cấu hình nối tiếp thường không phù hợp khi công suất của các tấm pin thấp hơn hoặc khi cường độ bức xạ không đều nhau Để khắc phục vấn đề này, có hai giải pháp chính được đề xuất: giảm số lượng pin mặt trời mắc nối tiếp trong chuỗi hoặc tích hợp các bộ MPPT vào từng tấm pin Trong đó, sử dụng mạch tích hợp MPPT giúp tối ưu hiệu suất năng lượng nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn, phù hợp hơn với các hệ thống quy mô lớn hơn.

Luận văn tập trung nghiên cứu một cấu hình mạch biến đổi DC-DC có tỷ số cao phù hợp cho các hệ thống PV nhỏ và trung bình, dựa trên cấu hình đề xuất của bài báo số [10] Mạch sử dụng kỹ thuật ghép xen kẽ kết hợp với giảm điện áp bằng tụ và giảm dòng bằng cuộn cảm nhằm đạt được độ gợn dòng điện thấp hơn và điện áp cơ bản giảm Các kết quả thí nghiệm được phân tích dựa trên phần mềm mô phỏng điện tử PSIM để đánh giá hiệu quả của cấu hình mạch.

Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống điện mặt trời công suất vừa và nhỏ ở Việt Nam còn nhiều tiềm năng phát triển Sử dụng các giải thuật mới cho các hệ thống này có thể gặp vấn đề về độ ổn định do chi phí micro DC-DC quá cao so với quy mô Do đó, xây dựng các bộ biến đổi DC-DC có tỷ số cao và tính kinh tế vượt trội là giải pháp phù hợp để tối ưu hóa hiệu quả và giảm chi phí cho các hệ thống năng lượng mặt trời nhỏ và vừa.

Mục tiêu nghiên cứu

Sau khi đọc và nghiên cứu các tài liệu tổng quan, luận văn đề ra các mục tiêu sau:

- Xác định mô hình toán của hệ thống (mô hình lý tưởng và thực tế)

- Thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp và phương án điều khiển

- Đề xuất một cấu hình mạch biến đổi DC – DC tỉ số cao từ 400V xuống 25 V

- Áp dụng mạch giảm áp DC-DC vào các ứng dụng quang điện và các phương pháp điều khiển khác nhau cho mạch giảm áp DC-DC

- So sánh và cải tiến hiệu suất của mạch.

Phạm vi nghiên cứu

Từ các mục tiêu đã nêu, luận văn cần phải hoàn thành các nhiệm vụ cụ thể như sau:

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán của pin mặt trời

- Tìm hiểu các bộ biến đổi công suất cơ bản và các phương pháp nâng tỉ số biến áp DC hiện nay

- Xác định cấu hình đề xuất theo mục tiêu và hiệu suất của mạch.

Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập các tài liệu liên quan về pin quang điện và các bộ biến đổi DC-DC cơ bản (tăng áp, giảm áp)

- Thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp và phương án điều khiển

- Xác định mô hình toán của hệ thống (mô hình lý tưởng và thực tế)

- Xác định cấu hình đề xuất theo mục tiêu và hiệu suất của mạch.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về pin quang điện (PV)

Quá trình chuyển đổi năng lượng photon thành điện năng trong hệ thống pin mặt trời xảy ra nhờ các tấm pin quang điện (PV) Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm pin, photon bị phân chia thành ba phần: phản xạ ngược lại, xuyên qua tấm pin hoặc bị hấp thụ Phần photon bị hấp thụ tạo ra các cặp điện tử tự do, kích thích các nguyên tử và dẫn đến sự phân tách các điện tích tại các lớp P – N của pin Sự tích tụ điện tích này tạo ra hiệu điện thế, và khi nối với tải ngoài, sẽ có dòng điện chạy qua hệ thống Quá trình này được mô tả rõ trong hình 2.1, minh họa cách năng lượng ánh sáng chuyển đổi thành năng lượng điện trong các tấm pin quang điện.

Hình 2.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện 2.1.2 Phân loại

Dựa vào công nghệ sản xuất, các tấm pin quang điện được chia thành các loại sau:

• Đơn tinh thể (Monocrystalline): có hiệu suất lớn nhất trong các loại pin (13 – 17%) nhưng vật liệu chế tạo đắt tiền

• Đa tinh thể (Monocrystalline): hiệu suất thấp hơn loại đơn tinh thể (10 – 14%), bù lại giá thành rẻ hơn

• Dải silic (Bar crystalline silicon): có chi phí sản xuất thấp nhất tuy nhiên hiệu suất chỉ đạt 11%

• Màng mỏng (Thin film): cho phép chế tạo được các tấm pin với kích thước mỏng nhưng do mới phát triển nên hiệu suất thấp, trong tầm 5 – 13%

• Ngoài ra công nghệ pin hữu cơ là công nghệ mới nhất hiện nay.

Mô hình toán pin PV

Mô hình đặc trưng của một tế bào quang điện là nguồn dòng song song với diode, mô hình lý tưởng xem như diode không có nội trở Theo định luật Kirchhoff 1, dòng điện tại đầu ra của tấm pin bằng hiệu giữa dòng điện do ánh sáng tạo ra và dòng điện chạy qua diode, phản ánh hoạt động của tế bào quang điện trong mạch điện tử.

Hình 2.2: Mô hình tế bào quang điện lý tưởng

Dòng điện tại ngõ ra của tấm pin:

Iph là dòng điện tạo ra bởi các photon khi chúng tương tác với vật thể, trong khi Id là dòng điện chạy qua diode theo công thức (1 – 2) Io biểu thị dòng bão hòa ngược của diode, phản ánh khả năng chống dòng điện ngược của thiết bị Điện tích của một electron được ký hiệu là q, với giá trị xấp xỉ 1,6 × 10⁻¹⁹ Coulomb, đóng vai trò quan trọng trong các tính toán về dòng điện và hiệu suất của diode trong các mạch điện tử.

10 -19 C), k là hằng số Boltzmann (1,38 × 10 -23 J/K), T là nhiệt độ trên diode (K) và a là hằng số lý tưởng của diode

Từ công thức (1 – 1) và (1 – 2) ta có các đặc tuyến I – V như sau:

Hình 2.3: Đặc tuyến I – V lý tưởng của pin mặt trời 2.2.2 Mô hình thực tế

Trong thực tế, các tế bào quang điện được kết nối theo kiểu kết hợp giữa song song và nối tiếp, tạo thành module PV hiệu quả Để phản ánh chính xác quá trình này, mô hình toán học cần tích hợp nhiều tham số hơn so với mô hình lý tưởng, nhằm mô phỏng các ảnh hưởng thực tế Mặc dù mô hình lý tưởng chỉ cần xét nội trở trong mạch, nhưng mô hình thực tế đòi hỏi phải tính toán kỹ lưỡng hơn để đảm bảo độ chính xác cao hơn trong thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời.

Hình 2.4: Mô hình tế bào quang điện thực tế

Dòng điện đầu ra trong trường hợp này:

Hình 2.5: Đặc tuyến I - V thực tế của pin mặt trời

Công thức (1 – 3) mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của tấm pin mặt trời, tạo ra đặc tuyến I – V minh họa trong hình 2.5 Đặc tuyến này dựa trên ba điểm đặc trưng thể hiện các thông số quan trọng của nhà sản xuất, trong điều kiện tiêu chuẩn với Bức xạ 1000W/m² và nhiệt độ 25°C.

• Điện áp hở mạch (Voc): Là điện áp đo được trên tấm pin khi không tải

• Dòng điện ngắn mạch (Isc) Là dòng điện đo được khi nối ngắn mạch tấm pin

• Điểm công suất cực đại (VMPP, IMPP): là điểm làm việc cho công suất lớn nhất

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tuyến Đặc tuyến công suất của pin mặt trời không cố định mà phụ thuộc vào hai yếu tố lớn nhất là cường độ bức xạ và nhiệt độ trên tấm pin, như trong Hình 2.6 Có thể thấy, với cùng một nhiệt độ và điện áp, bức xạ nhiều hơn sẽ cho dòng điện lớn hơn, đồng nghĩa với Iph trong mô hình toán tỉ lệ với bức xạ Trong trường hợp ngược lại, sự gia tăng nhiệt độ trong khi bức xạ cố định cho điện áp cao hơn ở cả điểm MPP và điểm hở mạch

Điều kiện làm việc tốt nhất của các tấm pin để đạt hiệu suất tối ưu là cần có cường độ bức xạ cao và nhiệt độ thấp Trong thực tế, nhiệt độ hoạt động của tấm pin thường cao hơn nhiệt độ tiêu chuẩn, phổ biến nằm trong khoảng 43°C đến 47°C (trạng thái NOCT), ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả phát điện.

Hình 2.6: Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tuyến pin mặt trời

Phương pháp cải tiến

Trong nhiều trường hợp phụ tải yêu cầu cung cấp điện một chiều từ nguồn điện một chiều có điện áp hoặc dòng điện thay đổi với công suất lớn, việc sử dụng biến trở để điều chỉnh không hiệu quả do ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị, vì vậy cần các phương pháp điều chỉnh phù hợp để đảm bảo hiệu quả vận hành hệ thống điện một chiều.

Bộ biến đổi điện áp một chiều là thiết bị dùng để điều chỉnh giá trị trung bình của điện áp một chiều ở ngõ ra từ nguồn điện áp một chiều không đổi ở ngõ vào Thiết bị đổi điện một chiều sang một chiều khác được lắp ráp theo nhiều sơ đồ đa dạng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong công nghiệp và điện tử.

Các linh kiện điện tử đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các mạch điện, góp phần vào hoạt động của hệ thống máy móc và thiết bị điện Mỗi linh kiện điện tử đều có đặc điểm và chức năng riêng biệt, xác định rõ vai trò của chúng trong hệ thống Hiện nay, linh kiện điện tử xuất hiện trong mọi hệ thống máy móc tại các xí nghiệp cũng như trong hệ thống điện sinh hoạt gia đình, đóng vai trò là xương sống của các thiết bị điện công nghiệp và đời sống xã hội Ngành công nghiệp điện tử là yếu tố quyết định sự phát triển bền vững của đất nước, ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống hàng ngày và quá trình sản xuất của con người Từ các thiết bị nhỏ như nồi cơm điện, quạt đến các hệ thống lớn hơn đều sử dụng điện năng, khẳng định tầm quan trọng của linh kiện điện tử trong đời sống và sản xuất.

Khi ứng dụng mạch vào thực tế, cần đảm bảo các linh kiện hoạt động ổn định và không bị nóng khi chịu dòng lớn để mạch có thể vận hành lâu dài và tiết kiệm chi phí Để cải tiến mạch, bắt đầu từ mạch cơ bản gồm các thành phần chính như transistor, diode, cuộn dây và tụ điện, giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của mạch điện tử.

Hình 2.8: Mạch giảm áp DC-DC cơ bản

Hiệu suất của hệ thống được xác định bằng tỷ lệ giữa công suất đầu ra và năng lượng điện cung cấp bên trong mạch, tính theo công thức (Pout / Pin) * 100% Vì năng lượng không thể bị tạo ra hoặc phá hủy, mà chỉ chuyển đổi dạng, phần năng lượng mất đi thường dưới dạng nhiệt do các công suất không sử dụng Trong thực tế, không có hệ thống nào hoạt động lý tưởng, do đó hiệu quả trở thành yếu tố quan trọng trong việc chọn bộ điều chỉnh điện áp để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Diode là một yếu tố quan trọng gây tổn thất công suất chính trong bộ điều chỉnh chuyển mạch Điện áp giảm nhân với dòng điện tạo ra công suất tiêu thụ dưới dạng nhiệt, làm giảm hiệu suất của mạch Thêm vào đó, chi phí bổ sung cho các giải pháp quản lý nhiệt như bộ tản nhiệt hoặc quạt làm mát cũng làm tăng tổng chi phí vận hành và giảm hiệu quả của hệ thống Không chỉ giảm điện áp thuận, quá trình hồi phục ngược của diode silicon còn gây ra tổn thất điện năng không cần thiết, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của mạch điều chỉnh chuyển mạch.

Một trong những cách hiệu quả để tránh hiện tượng điốt khôi phục tiêu chuẩn là sử dụng điốt Schottky, bởi chúng có điện áp giảm thuận thấp hơn và khả năng phục hồi ngược tốt hơn Khi yêu cầu hiệu suất tối đa, có thể thay thế điốt bằng MOSFETs để đạt hiệu quả cao hơn Trong công nghệ hiện đại, các bộ điều chỉnh Switching buck cung cấp nhiều lựa chọn, giúp đạt hiệu suất hơn 90% một cách dễ dàng Dù có hiệu suất cao hơn, thiết kế tĩnh, thành phần nhỏ gọn và mạch chuyển đổi ồn hơn so với bộ điều chỉnh tuyến tính, nhưng bộ điều chỉnh Switching buck vẫn được sử dụng phổ biến rộng rãi.

Luận văn đề xuất một cấu hình mạch giảm áp mới phù hợp với ứng dụng công suất lớn, giúp tăng hiệu suất đầu ra và giảm tổn thất năng lượng Mạch có khả năng ổn định điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi, từ đó giảm kích thước linh kiện và làm mạch hoạt động mát hơn, giảm khả năng hư hỏng linh kiện Các cải tiến này góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động của mạch giảm áp.

Chúng ta xây dựng mạch cải tiến nhiều tầng, sử dụng thêm các khóa điện, diode và tụ điện nhằm chia nhỏ linh kiện, giúp các linh kiện hoạt động ổn định và mát hơn khi tải lớn Điều này giảm thiểu nguy cơ hư hỏng linh kiện, tiết kiệm diện tích mạch và giảm giá thành sản phẩm.

Hình 2.9: Mạch giảm áp DC-DC đề xuất cải tiến

Bài toán dò điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT)

Một sơ đồ đơn giản được biến đổi từ mô hình tế bào quang điện thể hiện rõ trong Hình 2.7, giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Khi hoạt động ở điện áp thấp hơn VMPP, dòng điện qua diode gần như bằng không, đảm bảo hiệu quả năng lượng tối ưu cho hệ thống năng lượng mặt trời.

Trong trường hợp này, diode có thể bỏ qua do không ảnh hưởng đáng kể Sơ đồ mạch đã được giản lược bằng cách loại bỏ diode, chỉ còn lại nguồn áp VS và điện trở nội RS qua các phép biến đổi Thevenin – Norton để phân tích chính xác hơn.

Hình 2.10: Mô hình đơn giản pin mặt trời nối tải

Công suất tiêu thụ trên tải được tính bằng công thức:

(𝑅 𝑠 + 𝑅 𝐿 ) 2 (1-6) Điều kiện cần để công suất trên tải đạt cực đại là đạo hàm của PL theo RL bằng 0:

Điểm làm việc của hệ thống được xác định là giao điểm của đường đặc tính của tải và đường đặc tính nguồn, với giả định tải là tải thuần trở và đặc tính tải là một đường thẳng có độ dốc là 1/RL Khi tổng trở phía phụ tải tăng lên, độ dốc của đường đặc tính tải giảm, làm cho điểm làm việc dịch chuyển về phía bên phải, và chỉ đạt công suất cực đại khi RL bằng RMPP.

Hình 2.11 mô tả điểm làm việc của pin mặt trời, nhấn mạnh rằng một trong những khác biệt lớn nhất giữa các nguồn năng lượng tái tạo và nguồn năng lượng truyền thống là năng lượng đầu vào hoặc đặc tuyến tải không thể điều chỉnh Tải tiêu thụ phụ thuộc vào thói quen và mục đích của người dùng, nên cũng không thể kiểm soát Khi các tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với tải, sẽ gây ra hiện tượng mất cân bằng công suất và không tận dụng tối đa năng lượng đầu vào Do đó, cần sử dụng thiết bị trung gian có khả năng phối hợp tổng trở giữa tải và hệ thống pin mặt trời, phổ biến nhất là phương pháp biến đổi điện áp thông qua các bộ biến đổi điện áp một chiều để tối ưu hóa hiệu quả hệ thống năng lượng mặt trời.

Hệ thống điện mặt trời kết nối với bộ biến đổi điện áp DC có sơ đồ tương đương được trình bày như Hình 2, với hiệu suất biến đổi năng lượng lý tưởng Bộ biến đổi có thể được xem như một máy biến áp hoạt động với điện áp DC, trong đó V1 và I1 là điện áp và dòng điện vào phía sơ cấp của bộ biến đổi Tại ngõ ra phía thứ cấp, V2 và I2 là điện áp và dòng điện tương ứng, phản ánh quá trình chuyển đổi năng lượng trong hệ thống.

Hình 2.12: Mô hình hệ thống điện mặt trời sử dụng bộ biến đổi điện áp DC đơn giản Gọi k là tỉ số biến áp, ta có:

Từ đây, có thể quy đổi tổng trở tải phía sơ cấp về phía sơ cấp một cách tương tự như công thức quy đổi điện áp trong máy biến áp hoặc trong hệ thống điện xuyên suốt Tổng trở tương đương RL’ của tải nhìn từ phía nguồn pin mặt trời cho phép xác định chính xác ảnh hưởng của tải đến hệ thống điện Việc này giúp đơn giản hóa quá trình tính toán và phân tích hệ thống điện năng lượng mặt trời, góp phần tối ưu hóa hiệu suất và ổn định của hệ thống.

Trong các bộ biến đổi điện áp, tỉ số biến áp k có thể điều khiển được để tối ưu hóa hệ thống điện Nhờ việc sử dụng các bộ biến đổi năng lượng, tải phụ và nguồn điện tái tạo không điều khiển, các thành phần này có thể phối hợp hiệu quả, tận dụng tối đa năng lượng khai thác và nâng cao hiệu quả của hệ thống Điều này giúp tăng tính kinh tế và độ tin cậy của hệ thống điện, phù hợp với yêu cầu của các hệ thống hiện đại.

Các bộ biến đổi DC – DC cơ bản

Buck là bộ chuyển đổi nguồn DC-DC giúp biến đổi điện áp đầu ra thấp hơn so với điện áp đầu vào Thiết bị này bao gồm các thành phần chính như transistor, diode, cuộn dây và tụ điện, đảm bảo hiệu quả tiêu thụ năng lượng cao Buck thường được sử dụng trong các ứng dụng cần điều chỉnh điện áp ổn định cho các thiết bị điện tử, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Trong giản đồ thời gian này, ta có:

Hình 2.13: Sơ đồ mạch Buck DC

Trong bộ biến đổi lý tưởng, tất cả các thành phần đều được tính toán hoàn chỉnh để đảm bảo hiệu suất cao Khi thay đổi tỷ lệ thời gian dẫn ton so với chu kỳ Ts, mạch có thể điều chỉnh giá trị điện áp ngõ ra VO một cách linh hoạt Hiện tượng này được minh họa rõ nét qua giản đồ thời gian, giúp người thiết kế dễ dàng hình dung quá trình chuyển đổi và kiểm soát điện áp đầu ra chính xác hơn.

Hình 2.14: Dạng sóng điện áp và dòng điện mạch Buck

Ts: thời gian chuyển đổi

IL: dòng điện sạc trung bình

Io: dòng điện đầu ra

Vd: điện áp một chiều đầu vào

Vo: điện áp một chiều đầu ra

𝑡 𝑜𝑛 = DT.; 𝑡 𝑜𝑓𝑓 = (1 − 𝐷) ∙ 𝑇 Đây là bộ giảm áp vì 0 ≤ D ≤ 1

Trong thời gian T dẫn, năng lượng tích trữ trên cuộn cảm Trong thời gian T ngắt, năng lượng cuộn cảm phóng thích qua C, R và D

Hình 2.15: Trạng thái ON mạch Buck

Khi khóa kích đóng, dòng điện từ nguồn sẽ đi qua cuộn cảm làm tăng dòng điện trong cuộn cảm và nạp tụ điện Tương tự, tụ điện sẽ cung cấp dòng điện cho tải tùy thuộc vào quá trình lưu trữ năng lượng Quá trình này diễn ra theo hình ảnh mô phỏng trong sơ đồ 2.15, giúp hiểu rõ hoạt động của mạch trong thời điểm khóa kích đóng.

Hình 2.16: Trạng thái OFF mạch Buck

Khi khóa kích ngắt được kích hoạt, nguồn cung cấp bị ngắt khỏi mạch, khiến cuộn cảm tích năng lượng từ trường và lưu trữ điện tích trong trạng thái on trước đó Lúc này, cuộn cảm sẽ phóng năng lượng qua tải và có xu hướng duy trì dòng điện không đổi rồi dần giảm, thể hiện rõ qua hướng của dòng điện như mô tả trong hình 2.16.

Quá trình đóng cắt liên tục tạo ra tải điện áp trung bình theo luật băm xung PWM, giúp điều chỉnh công suất hiệu quả Dòng điện qua tải ở dạng xung tam giác, đảm bảo dòng liên tục qua tải và ổn định hơn Tần số đóng cắt cao được áp dụng để giảm nhiễu công suất và nâng cao hiệu quả hoạt động của mạch Van công suất thường sử dụng các linh kiện như Transistor tốc độ cao, Mosfet hoặc IGBT để đảm bảo độ bền và hiệu suất cao.

Boost là bộ biến đổi nguồn DC-DC giúp tăng điện áp đầu ra vượt quá điện áp đầu vào, phù hợp cho các ứng dụng cần nâng cao năng lượng điện Thiết bị này gồm ít nhất hai thành phần chính trong mạch như diode và transistor, cùng với một bộ nhớ lưu trữ năng lượng như tụ điện hoặc cuộn cảm, đảm bảo quá trình truyền tải hiệu quả Với khả năng tăng điện áp, Boost được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện tử cần ổn định và nâng cao điện áp đầu ra, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và tiết kiệm năng lượng.

Trong bộ biến đổi lý tưởng, tất cả các thành phần đều được tính toán một cách chính xác để đảm bảo hiệu suất tối ưu Khi điều chỉnh tỷ lệ thời gian dẫn tòn so so với chu kỳ Ts, mạch sẽ thay đổi giá trị điện áp ngõ ra VO, phản ánh sự linh hoạt trong việc điều chỉnh công suất và điện áp đầu ra Minh họa qua giản đồ thời gian giúp bạn hình dung rõ hơn về mối quan hệ giữa các tham số này trong quá trình hoạt động của bộ biến đổi.

Hình 2.18: Trạng thái ON mạch Boost

Khi khóa được kích hoạt đóng, dòng điện từ nguồn vào chạy qua cuộn cảm khiến dòng điện trong cuộn cảm tăng lên rất nhanh Lúc này, dòng điện không đi qua diode và tụ điện sẽ phóng điện để cung cấp năng lượng cho tải Chiều dòng điện được mô tả rõ ràng trong hình 2.18, minh họa quá trình hoạt động của mạch khi khóa đóng.

Hình 2.19: Trạng thái OFF mạch Boost

Khi khóa kích ngắt, hiện tượng cân bằng điện áp xảy ra ở cuộn dây, tạo sự hòa hợp giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào Điện áp đầu vào kết hợp với điện cảm của cuộn cảm đã tích lũy năng lượng từ trường, cung cấp nguồn cho tải đồng thời nạp điện cho tụ điện Trong quá trình này, điện áp đầu ra sẽ lớn hơn điện áp đầu vào, và dòng điện qua tải được cung cấp bởi nguồn đầu vào, theo chiều dòng điện được mô tả trong hình 2.19.

Mạch giảm áp DC – DC tỉ số cao

Mạch giảm áp DC-DC được sử dụng để chuyển đổi điện áp đầu vào cao thành điện áp đầu ra thấp, giúp xây dựng các tiện ích nhỏ gọn hơn và kéo dài tuổi thọ pin Mạch hoạt động ở hai chế độ dẫn là liên tục và không liên tục, đồng thời có khả năng điều chỉnh điện áp giảm hoặc tăng tùy theo nhu cầu Ngoài ra, cuộn cảm trong mạch cho phép thay đổi nhanh dòng điện, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Mạch giảm áp thường được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện áp cao thành điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu của thiết bị Trong một số trường hợp, nó có thể cung cấp điện áp âm từ nguồn điện tích cực, phục vụ các ứng dụng cần điện áp âm Các ứng dụng phổ biến của mạch giảm áp bao gồm bộ khuếch đại âm thanh, trình điều khiển dòng và bộ thu hoặc bộ khuếch đại thiết bị, góp phần tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống điện tử.

Hình 2.20: Mạch giảm áp DC-DC 2.6.2 Ứng dụng mạch giảm áp vào các ứng dụng quang điện

Mạch giảm áp DC-DC được thiết kế nhằm phục vụ các ứng dụng quang điện và theo dõi điểm năng lượng hiệu quả cao, đóng vai trò trung gian giữa nguồn cung cấp và tải Mô phỏng điện tử được sử dụng để nghiên cứu và tối ưu hóa hiệu suất của mạch trong điều kiện thực tế Với điện áp đầu vào ổn định ở mức 80V, hệ thống cung cấp công suất 164W với hiệu suất trung bình đạt khoảng 60%, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định trong các ứng dụng năng lượng tái tạo.

Trong những thập kỷ gần đây, nghiên cứu về việc sử dụng quang điện như nguồn năng lượng thay thế ngày càng trở nên nổi bật trong lĩnh vực kỹ thuật điện, thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống năng lượng quang điện điện hình có giá trị DC ở phía đầu ra Công nghệ này hứa hẹn mang lại nguồn năng lượng sạch, bền vững và thân thiện với môi trường, đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trong tương lai Các tế bào quang điện (pin mặt trời) được liên kết thành mô-đun, trong đó một số tế bào có thể sắp xếp để tạo ra điện áp cao hơn, tùy thuộc vào cách sắp xếp của các mô-đun này, như nối tiếp hoặc song song Diện tích mặt của ô và cường độ ánh sáng ảnh hưởng đến lượng dòng điện tạo ra, giúp tối ưu hiệu suất của hệ thống quang điện Ví dụ, bốn mô-đun PV BP 275F có thể đạt công suất 300W khi được kết nối song song, nâng cao điện áp đầu ra, nhưng để phù hợp với các tải có yêu cầu điện áp thấp hơn và hiệu suất cao, bộ điều chỉnh hoặc bộ chuyển đổi thường cần thiết để giảm điện áp đầu ra của hệ thống quang điện.

Mạch giảm áp DC-DC được thiết kế để giảm điện áp đầu vào xuống mức thấp hơn Phương pháp thiết kế đã được xác thực qua thử nghiệm trên mạch công suất 300W, cho thấy hiệu suất trung bình đạt 60%, với công suất đầu ra tối đa là 164W ở điện áp ổn định 80V Kết quả thử nghiệm chứng tỏ tính khả thi của phương pháp, góp phần nâng cao hiệu quả hệ thống Hình 2.21 cung cấp hình ảnh tổng quan về hệ thống, giúp người đọc hình dung rõ hơn về cấu trúc và hoạt động của mạch.

Hình 2.21: Sơ đồ tổng quát của hệ thống

Mạch giảm áp hoạt động hiệu quả và có hiệu suất cao, đóng vai trò trung gian giữa nguồn cung cấp và tải, giúp tối ưu hóa truyền tải điện năng Việc lựa chọn thành phần phù hợp cho hệ thống là yếu tố quan trọng để giảm tổn thất điện năng do các phần tử gây ra, từ đó nâng cao hiệu quả của mạch giảm áp.

2.6.3 Các phương pháp điều khiển khác nhau cho mạch giảm áp DC-DC

Hiện nay, nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt trong khi nhu cầu sử dụng tăng cao, khiến việc chuyển sang các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời trở thành giải pháp tối ưu Tuy nhiên, việc khai thác năng lượng từ các nguồn này gặp phải thách thức liên quan đến tính không ổn định của nguồn điện đầu ra và đặc điểm tải là DC, yêu cầu sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC để ổn định điện áp đầu ra Công nghệ điều khiển bằng PWM được sử dụng phổ biến để điều chỉnh nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi mạch, giúp kiểm soát hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo Các bộ điều khiển tuyến tính như P, PI, PID không phù hợp trong các điều kiện yêu cầu phản ứng nhanh và tín hiệu lớn, do đó, bộ chuyển đổi DC-DC đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điện áp đầu ra ổn định tại tải.

Các phương pháp điều khiển khác nhau của bộ chuyển đổi DC-DC bao gồm điều khiển chế độ điện áp (VMC), điều khiển chế độ hiện hành (CMC) và sơ đồ điều khiển chế độ trượt (SMC), nhằm duy trì điện áp đầu ra ổn định dưới các điều kiện tải và cung cấp khác nhau Thực nghiệm cho thấy, so với VMC và CMC, phương pháp SMC có hiệu suất tốt hơn trong việc thích ứng với biến động điện áp và tải đầu vào, đặc biệt là khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra chính xác ngay cả trong phạm vi tải lớn và đường truyền biến thiên Điều khiển chế độ điện áp (VMC) trong bộ chuyển đổi DC-DC được thực hiện thông qua cấu trúc liên kết, sử dụng phản hồi điện áp để duy trì ổn định, dễ thiết kế và thực hiện, đồng thời có phạm vi nhiễu lớn tại điểm tham chiếu đầu vào Tuy nhiên, VMC chỉ chứa vòng phản hồi duy nhất dựa trên điện áp đầu ra, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu đơn giản.

Điều khiển chế độ hiện hành (CMC) của bộ chuyển đổi DC-DC là phương pháp thứ hai trong điều khiển chế độ điện áp, sử dụng hai vòng phản hồi chính: vòng phản hồi hiện tại và vòng phản hồi điện áp Trong phương pháp này, dòng điện dẫn chính là tín hiệu phản hồi để điều chỉnh hoạt động của bộ chuyển đổi, giúp tối ưu hiệu suất và đảm bảo ổn định hệ thống.

Dưới đây là phần tóm tắt các ý chính của đoạn văn theo chuẩn SEO: Chế độ điều khiển chế độ trượt của bộ chuyển đổi DC-DC sử dụng hệ thống cấu trúc biến để điều chỉnh hoạt động, trong đó bộ điều khiển SM có hai chế độ chính là điều khiển điện áp và điều khiển dòng điện, tùy thuộc vào tham số đầu ra muốn kiểm soát Trong đó, chế độ quan tâm là điều khiển điện áp nhằm duy trì ổn định điện áp đầu ra Mô tả này tập trung vào không gian trạng thái của mạch giảm áp trong hệ thống điều khiển điện áp SM, đặc biệt là chế độ dẫn liên tục của mạch giảm áp DC-DC được phân tích chi tiết.

Hình 2.24: Sơ đồ khối điều khiển chế độ trượt của bộ chuyển đổi DC-DC

PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

Giới thiệu

Nguồn điện đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong một hệ thống điện hoặc mạch điện, vì nó cung cấp năng lượng cần thiết để hoạt động Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và ổn định của hệ thống, đảm bảo các thiết bị vận hành trơn tru và an toàn Việc lựa chọn nguồn điện phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của các thiết bị điện.

Trong nhiều trường hợp, tải phụ yêu cầu nguồn điện một chiều có điện áp hoặc dòng điện thay đổi với công suất lớn mà không sử dụng biến trở để điều chỉnh, vì hiệu suất của thiết bị là yếu tố hàng đầu Mỗi hệ thống mạch điện cần các nguồn đầu vào phù hợp, từ nguồn cố định hoặc có sẵn, trong đó nguồn DC được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các hệ thống điện Để tích hợp nguồn DC vào hệ thống, cần biến đổi nguồn DC này thành các nguồn DC khác nhau phù hợp với yêu cầu của hệ thống.

Bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để điều chỉnh giá trị trung bình của điện áp một chiều ở đầu ra từ nguồn điện áp một chiều không đổi ở đầu vào, nhằm kiểm soát hiệu quả các thiết bị điện Thiết bị này được lắp ráp theo nhiều sơ đồ khác nhau, phù hợp với nhiều ứng dụng đa dạng Ngoài ra, chúng còn được sử dụng rộng rãi trong các máy nâng vận chuyển, hệ thống truyền động trong các máy cắt gọt kim loại, hệ thống giao thông đường sắt, ô tô chạy điện, xe điện chở hàng, cũng như trong kỹ thuật điện hóa và tự động hóa.

Hiện nay, nguồn xung hay các bộ nguồn biến đổi DC-DC được sử dụng phổ biến trong các mạch điện và hệ thống điện tự động Mạch giảm áp DC-DC với cấu hình cơ bản được thể hiện rõ nét trong Hình 3.1, góp phần nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống nguồn cung cấp điện.

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch cơ bản

Dưới đây là kết quả các dạng sóng dòng điện và điện áp của mạch giảm áp DC-DC cơ bản, được thể hiện trong Hình 3.2

Hình 3.2: Dạng sóng dòng điện và điện áp của mạch giảm áp DC-DC cơ bản

Dựa trên cấu hình đề xuất của bài báo số [10], luận văn đề xuất một cấu hình mạch giảm áp mới phù hợp với ứng dụng công suất lớn Mạch cần có khả năng cung cấp hiệu suất đầu ra cao hơn và tổn thất thấp hơn, đồng thời duy trì ổn định điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi Ngoài ra, thiết kế này giúp giảm kích thước linh kiện, giảm nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hoạt động và tăng độ bền cho các linh kiện, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của mạch.

Mạch gồm hai cụm biến đổi cấu trúc xen kẽ mắc song song giúp tối ưu hiệu quả chuyển đổi năng lượng Bốn tụ điện đầu ra đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ năng lượng và phát xả khi cần thiết, đảm bảo ổn định hoạt động của hệ thống Mạch đề xuất, trình bày trong Hình 3.3, mô tả rõ các thành phần chính và nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng Mỗi cụm giảm áp là một mạch hai tầng ghép xen kẽ với các khóa điện hoạt động xen kẽ nhau, nhằm đảm bảo quá trình nạp và xả năng lượng liên tục Độ rộng xung tối thiểu trên mỗi khóa điện là 50%, giúp duy trì quá trình sạc xả liên tục và ổn định, tối ưu hiệu suất hoạt động của mạch biến đổi.

Nguyên lý hoạt động

Khi S1 ON, nguồn 400V cấp vào ngõ vào của mạch, đi qua khóa điện S1 và về tải như

Hình 3.4: Sơ đồ thể hiện chiều dòng điện khi S1 ON

Khi S1 OFF, tụ điện và cuộn dây được nạp điện từ lần S1 ON trước Cuộn dây bắt đầu xả điện về tải và Diode dẫn điện

Hình 3.5 mô tả sơ đồ thể hiện chiều dòng điện khi S1 OFF và cuộn dây xả điện, đồng thời tụ điện cũng xả điện lên tầng trên khiến S2 ON Dòng điện sẽ đi qua tụ điện và cuộn dây, sau đó về tải như trong hình 3.6, giúp kiểm soát dòng điện hiệu quả trong hệ thống.

Hình 3.6: Sơ đồ thể hiện chiều dòng điện khi S2 ON và tụ điện xả điện

Khi S2 OFF, tụ điện và cuộn dây được nạp điện từ lần S2 ON trước Cuộn dây bắt đầu xả điện về tải và Diode dẫn điện

Hình 3.7 minh họa sơ đồ dòng điện khi S2 OFF và cuộn dây xả điện, trong quá trình tụ điện cũng xả điện lên các tầng trên tiếp theo Điều này khiến S3 ON, dòng điện đi qua tụ điện và cuộn dây trước khi trở về tải, như mô tả trong Hình 3.8 Quá trình này giúp giải thích hoạt động của hệ thống trong trạng thái xả điện, đảm bảo dòng điện được điều hướng chính xác và an toàn.

Hình 3.8: Sơ đồ thể hiện chiều dòng điện khi S3 ON và tụ điện xả điện

Khi S3 OFF, tụ điện và cuộn dây được nạp điện từ lần S3 ON trước Cuộn dây bắt đầu xả điện về tải và Diode dẫn điện

Hình 3.9 minh họa sơ đồ thể hiện dòng điện khi S3 OFF và cuộn dây xả điện, cho thấy dòng điện đi qua cuộn dây và tải Đồng thời, tụ điện cũng xả điện lên tầng trên cùng, làm cho S4 ON và dẫn dòng điện qua cuộn dây rồi về tải như hình minh họa trong Hình 3.10.

Hình 3.10: Sơ đồ thể hiện chiều dòng điện khi S4 ON và tụ điện xả điện

Khi S4 OFF, cuộn dây bắt đầu xả điện về tải và Diode dẫn điện.

Phương án điều khiển

Bộ biến đổi trong luận văn hoạt động trong một chu kỳ đóng cắt, với điện áp tại tụ ban đầu vượt quá quá độ rồi dần ổn định như trong Hình 3.12 Các tụ điện tại ngõ vào được mắc nối tiếp với cuộn dây, khiến mạch điện đề xuất vận hành theo chế độ dẫn liên tục (CCM - Continuous Conduction Mode).

Hình 3.12: Dạng sóng điều khiển điện áp trên tụ

Cặp khóa điện S1 và S3 đóng thì S2 và S4 dẫn và ngược lại, điều này được thể hiện qua Hình 3.13 và Hình 3.14

Hình 3.13: Dạng sóng điện áp trên cặp khóa điện S1 và S3

Hình 3.14: Dạng sóng điện áp trên cặp khóa điện S2 và S4

Phân tích, đánh giá hiệu quả

PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

Nguồn điện là thành phần thiết yếu, đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của các mạch điện và hệ thống điện Nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ ổn định của toàn bộ hệ thống điện Việc cung cấp nguồn điện ổn định và phù hợp là yếu tố quyết định để đảm bảo các thiết bị điện hoạt động liên tục và hiệu quả.

Trong nhiều trường hợp, tải cần điện một chiều từ nguồn điện một chiều có điện áp hoặc dòng điện thay đổi với công suất lớn, nhưng không thể điều chỉnh bằng biến trở vì hiệu suất của thiết bị là yếu tố quan trọng Mỗi mạch điện hoặc hệ thống đòi hỏi các nguồn đầu vào khác nhau, từ nguồn cố định hoặc có sẵn, trong đó nguồn DC được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong hầu hết các hệ thống điện và mạch điện Tuy nhiên, để tích hợp nguồn DC vào hệ thống, cần phải biến đổi nguồn DC này thành các nguồn DC khác hoặc nhiều nguồn DC phù hợp để cung cấp cho hệ thống một cách hiệu quả.

Bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC converter) dùng để điều chỉnh giá trị trung bình của điện áp một chiều ở ngõ ra từ nguồn điện áp một chiều không đổi ở ngõ vào Thiết bị đổi điện một chiều sang một chiều là thành phần quan trọng trong nhiều hệ thống, được lắp ráp theo nhiều sơ đồ khác nhau để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đa dạng Chúng còn được ứng dụng rộng rãi trong các máy nâng vận chuyển, truyền động điện máy cắt gọt kim loại, và các hệ thống giao thông như đường sắt, ô tô chạy điện, xe điện bốc dỡ hàng, cũng như trong công nghệ điện hoá.

Hiện nay, nguồn xung hay các bộ nguồn biến đổi DC-DC đang được sử dụng phổ biến trong hầu hết các mạch điện và hệ thống điện tự động Các bộ nguồn này giúp điều khiển điện áp hiệu quả và ổn định, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Sau đây là mô tả về mạch giảm áp DC-DC với cấu hình cơ bản, thể hiện rõ trong Hình 3.1.

KẾT LUẬN

Kết luận về hướng nghiên cứu

Qua các mô hình mạch, ứng dụng và phương pháp điều khiển đã trình bày, đề tài có nền tảng vững chắc để thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm sơ bộ nhằm chứng minh khả thi của luận văn.

Mạch cải tiến so với mạch cơ bản đã nâng cao hiệu suất hoạt động, duy trì ổn định điện áp đầu ra ngay cả khi tải thay đổi, giúp giảm tổn hao năng lượng và giảm nhiệt lượng sinh ra trong linh kiện Nhờ sử dụng cuộn cảm, mạch Buck cho công suất đầu ra rất lớn so với công suất đầu vào, đồng thời cần thiết phải ghép nhiều tầng hoạt động xen kẽ các khóa điện để dẫn dòng ổn định, tiết kiệm diện tích mạch và chi phí linh kiện.

Kết quả mô phỏng cho thấy, khi tăng số lượng các tầng trong mạch, dòng điện đầu vào giảm rõ rệt (từ 28,38524 A xuống còn 6,98378 A), đồng thời hiệu suất của mạch được cải thiện bất kể thay đổi tải trọng, với dòng điện đầu vào giảm từ 11,0518 A xuống còn 2,53211 A Điều này cho thấy rằng xây dựng nhiều tầng giúp giảm dòng điện tiêu thụ, từ đó giảm công suất đầu vào và làm tăng hiệu suất của mạch Có thể kết luận rằng, mạch càng nhiều tầng thì dòng điện đầu vào càng giảm, mạch trở nên nhỏ gọn hơn và hiệu suất cao hơn so với mạch cơ bản, mặc dù việc xây dựng nhiều tầng đòi hỏi sử dụng nhiều linh kiện và phức tạp hơn.

- Có thể áp dụng mạch vào các mục đích khoa học và ứng dụng thực tế

Trong phương pháp mô phỏng mạch điện, công cụ mô phỏng có tính thực tế cao nhất là Power Sim (PSIM), giúp mô phỏng mô hình điện tử công suất một cách chính xác và hiệu quả.

Luận văn đã chứng minh bước đầu phù hợp với các ứng dụng pin mặt trời công suất vừa và nhỏ, đồng thời có tiềm năng mở rộng sang các lĩnh vực điện tử công suất khác Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống để mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực năng lượng tái tạo Ngoài ra, nghiên cứu còn đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa thiết kế và tích hợp công nghệ mới nhằm phù hợp với xu hướng phát triển của ngành điện tử và năng lượng sạch Các kết quả từ luận văn mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng thân thiện môi trường, góp phần thúc đẩy chuyển đổi năng lượng theo hướng bền vững.

- Xây dựng phương pháp đánh giá tổn thất công suất và sụt áp trên mạch khi có xét đến nội trở thực tế của các linh kiện

- Xây dựng phương pháp tính độ phân giải điện áp ngõ ra cho các bộ biến đổi

DC – DC tỉ số cao từ đó rút ra cách điều khiển độ phân giải tối ưu nhất cho mô hình

- Mô phỏng kết nối hệ thống mạch với động cơ

- Mô phỏng kết quả để thích hợp cho các ứng dụng giảm áp cần công suất lớn

[1] A M Eltamaly, Chapter 4 - Performance of MPPT Techniques of Photovoltaic Systems Under Normal and Partial Shading Conditions Elsevier Inc., 2018

[2] F Belhachat and C Larbes, “A review of global maximum power point tracking techniques of photovoltaic system under partial shading conditions,” Renew Sustain Energy Rev., vol 92, no January, pp 513–553, 2018

[3] X Li, H Wen, Y Hu, L Jiang, and W Xiao, “Modified Beta Algorithm for GMPPT and Partial Shading Detection in Photovoltaic Systems,” IEEE Trans Power Electron., vol 33, no 3, pp 2172–2186, 2018

[4] P S Vicente, E M Vicente, and E R Ribeiro, “A review of solar photovoltaic array reconfiguration methods,” IEEE Int Symp Ind Electron., vol 2015-Septe, pp 208–213, 2015

[5] A Ingle, D I Sangotra, R B Chadge, and P Thorat, “Module configurations in photovoltaic system: A review,” Mater Today Proc., vol 4, no 14, pp 12625–

[6] Soheli, S N., Sarowar, G., Hoque, M A., & Hasan, M S (2018) Design and

This research presents an analysis of a DC-DC buck-boost converter designed to attain high efficiency and low voltage gain by integrating buck-boost topology into a traditional buck converter The study emphasizes the advantages of this hybrid approach in enhancing power conversion performance, making it suitable for applications requiring stable output over varying input voltages Published at the 2018 International Conference on Advancement in Electrical and Electronic Engineering (ICAEEE), the paper highlights how the proposed topology reduces switching losses and improves overall efficiency, providing a reliable solution for high-performance power management.

[7] Masri, S., Mohamad, N., & Hariri, M H M (2012) Design and development of DC-DC buck converter for photovoltaic application 2012 International Conference on Power Engineering and Renewable Energy (ICPERE)

[8] Himanshu, & Khanna, R (2012) Various control methods for DC-DC buck converter 2012 IEEE Fifth Power India Conference

[9] O Khan, W Xiao, and H H Zeineldin, “Gallium-Nitride-Based Submodule

Integrated Converters for High-Efficiency Distributed Maximum Power Point Tracking PV Applications,” IEEE Trans Ind Electron., vol 63, no 2, pp 966–

[10] Viet-Anh Truong, Xuan-Truong Luong, Phan-Thanh Nguyen and Thanh- Hai Quach, “The Improvement Switching Technique for High Step-Up DC-DC Boost Converter,”

[11] B Nayak, A Mohapatra, and K B Mohanty, “Selection criteria of dc-dc converter and control variable for MPPT of PV system utilized in heating and cooking applications,” Cogent Eng., vol 4, no 1, pp 1–16, 2017.