ĐỒ án thiết kế bộ biến đổi DC DC 2 chiều

Bộ biến đổi DC-DC hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bịbiến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng nănglượng tái tạo sức gió, mặt trời

LỜI NÓI ĐẦUTrong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyểnđổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụngđiện 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 sửdụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như hệ thống quang điện, hệ thống pinnhiên 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 bịbiến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng nănglượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Các bộ biến đổi DC-DC trong các hệ thống nănglượng lưu trữ giúp cho các hệ thống năng lượng tái taọ khắc phục được các hạn chếcủa nó Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điềukhiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêucủa 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”

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 TUẤNANH, cùng với sự nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành được đồ án này

Sinh viên Mai Đình HiểnCHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

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 suấtcho phép các nguồn điện từ các hệ thống phân phối năng lượng và biến đổi thànhcác nguồn năng luợng có yêu cầu điện áp và tần số Đối với các hệ thống dự trữ ,năng luợng có thể chảy theo hai chiều giữa nguồn dự trữ và lưới Hình 1.1 minhhọa hệ thống phân phối năng lượng bao gồm có bốn modul chính của giao diệnđiện tử công suất Nó bao gồm modul biến đổi nguồn đầu vào, một modul nghịchlưu, modul đầu ra và modul điều khiển Đường mũi tên một chiều thể hiện nănglượng chỉ chảy theo một chiều còn đường mũi tên hai chiều cho thấy năng lượngchảy theo hai chiều

Việc thiết kế modul biến đổi nguồn đầu vào phụ thuộc vào đặc tính củanguồn năng lượng hoặc của các ứng dụng dự trữ năng lượng Hệ thống phân phốinăng lượng có đầu ra là xoay chiều thường có tần số thay đổi như các hệ thốngnăng lượng sức gió, tuabin, hệ thống dự trữ bánh đà cần thiết phải có bộ biến đổiAC-DC Đối với các hệ thống có đầu ra là DC như hệ thống quang điện, pin nhiênliệu, ắc quy thì cần thiết phải có một bộ biến đổi DC-DC để chuyển đổi điện áp DCthành điện áp phù hợp Modul nghịch lưu DC-AC là modul chung để chuyển đổiđiện áp một chiều DC thành điện áp AC phù hợp với lưới

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 lượngmặt trời thành năng luợng điên bằng phuơng pháp của một tế bào năng luợng mặttrời một tế bào năng luợng mặt trời thường được sản xuất bằng các thiết bị bándẫn như silicon tinh thể và hấp thụ ánh sáng mặt trời tạo ra điện thông qua một quátrình hiệu ứng quang điện hiệu quả của một tế bào năng lượng mặt trời được xácđịnh bởi khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện có thể sửdụng được và thường là khoảng 10-15% Do đó, để sản xuất số lượng đáng kể nănglượng 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 nhauthành các modul bao gồm từ 36 tới 72 tế bào, tuỳ thuộc vào điện áp và dòng điệnđầu ra của các modul Các modul khác nhau về kích thước của nhà sản xuất , nhưngthường là từ 0,5 đến 1m2 và tạo ra khoảng 100W/m2 năng lượng trong điều kiệntối đa cho 1 modul với hiệu suất khoảng 10% Ngoài ra các modul cũng có thểđuợc nhóm lại với nhau với khối lượng và cấu hình khác nhau (đuợc nói rõ ở phần

sau) để tạo thành các mảng có đặc tính dòng điện và điện áp đặc trưng Phân biệtgiữa 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 vớimột hệ thống PV(Photovoltaic) điện áp DC đầu ra là 1 hằng số có độ lớn phụ thuộcvào cấu hình mà trong đó các tế bào năng lượng mặt trời/modul được kết nối mặtkhác , dòng điện đầu ra của hệ thống PV chủ yếu phụ thuộc vào bức xạ năng lượngmặt trời sẵn có.yêu cầu chính của các giao diện điện tử công suất là việc chuyển đổiđiện áp DC được tạo ra thành điện áp AC thích hợp cho các hộ tiêu thụ và các kếtnối đa năng.Thông thường độ lớn điện áp DC của các mảng PV được yêu cầu phảităng lên đến một giá trị cao hơn bằng cách sử dụng các bộ biến đổi DC-DC trướckhi chuyển đổi thành AC thích hợp bộ nghịch lưu DC-AC lúc đó được sử dụng đểchuyển đổi thành điện áp 60Hz AC Quá trình điều khiển điện áp và dòng điện đầu

ra của các mảng phải được tối ưu hoá dựa trên điều kiện thời tiết Các thuật toánđiều khiển chuyên môn hoá được gọi là điểm giám sát công suất lớn nhất(MPPT)

để liên tục tách ra số lượng tối đa công suất từ các mảng trong điều kiện khácnhau Quá trình điều khiển MPPT và tăng điện áp thường được thực hiện bằng các

bộ biến đổi DC-DC , khi đó bộ nghịch lưu DC-AC đuợc sử dụng để điều khiểndòng điện lưới

Hình 1.2: Các mảng PV

1.2.2 Cấu hình của hệ thống quang điện

Các modul PV(Photovoltaic) được kết nối với nhau thành các mảng để sảnxuất được số lượng điện năng lớn.Các mảng sau đó được kết nối với các thànhphần của hệ thống như các bộ nghịch lưu để biến đổi nguồn DC được sản xuất từcác mảng thành AC để cung cấp cho các hộ tiêu thụ điện năng.các bộ nghịch lưucho hệ thống PV thực hiện nhiều chức năng khác nhau , nó biến đổi nguồn DC tạo

ra thành nguồn AC tương thích với tiện ích Nó cũng bao gồm chức năng bảo vệ đểkiểm tra các kết nối của lưới và nguồn PV và có thể cách ly mảng PV nếu có vấn

để xảy ra Biến tần giám sát các điều kiện thiết bị đầu cuối của modul PV và baogồm MPPT (Maximum power point tracking) để tăng tối đa khả năng thu nănglượng MPPT duy trì hoạt động của mảng PV đạt hiệu quả cao nhất có thể qua mộtloạt các điều kiện đầu vào có thể thay đổi tuỳ theo các ngày và các mùa

Hệ thống PV có thể được cấu trúc thành nhiều cấu hình hoạt động Mỗi cấu hìnhdựa trên giao diện điện tử công suất mà nó kết nối với các hệ thống lưới điện.Hình1.3 trình bầy cấu hình ờ đó một biến tần tập trung được sử dụng đây là một là cấutrúc phổ biến duy nhất đã sử dụng Các modul PV được kết nối nối tiếp hoặc songsong 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 cóchi phí thấp nhất vì có mỗi sự hiện diện cuả biến tần Những bất lợi chính của cấuhình này là các tổn thất công suất có thể cao hơn do sự không phù hợp giữa cácmodul PV và sự hiện diện của các diot String (chuỗi) Một bất lợi khác là cấu hìnhnày có một điểm duy nhất hỏng tại biến tần , do vậy nó có độ tin cậy thấp hơn

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 PVHình 1.4 trình bày cấu hình một chuỗi mảng hệ thống PV Một loạt các tấm PVđược kết nối theo hình thức một chuỗi Thông thường, 15 tấm được kết hợp vớinhau trong chuỗi và kết nối với nhau thông qua lợi ích cùng với một biến tần chomỗi chuỗi Ưu điểm chính của cấu trúc liên kết này là không có tổn thất do ghépnối các diot chuỗi và công suất lớn nhất điểm theo dõi có thể áp dụng cho mỗichuỗi Điều này đặc biệt hữu ích khi nhiều chuỗi được gắn trên các bề mặt cố địnhtrong định hướng khác nhau Những bất lợi chính của cấu hình này là do chi phítăng lên của việc bổ sung biến tần

Điện áp đầu vào từ các chuỗi PV có thể đủ lớn để tránh phải khuếch đại điện áp Nhưng chi phí cho các tấm PV vãn còn khá đắt , khuếch đại điện áp có thể thêmvào cùng với chuỗi biến tần để giảm đi các modul PV [6] Chuỗi biến tần đa năng,một sự phát triển của chuỗi biến tần , có một vài chuỗi được đưa qua bộ biến đổiDC-DC để tăng điện áp lên và sau đó được kết nối với bus DC thông thường Mộtbiến tần DC-AC thông thường sau đó được sử dụng để kết nối với lưới Một chuỗi

hệ thống PV đa năng được trình bày như ở hình 1.4

Tam PV

ngich luu

Tam PV

DC-AC DC-DC

DC-DC

(b)Hình 1.4: Các mảng PV với cấu trúc nhiều chuỗiHình 1.5 trình bày cấu hình mà mỗi modul PV được ghép nối với biến tần riêng củanó.thiết kế này được biết đến như một modul AC, Ưu điểm của hệ thống là nó đơngiản để thêm các modul vì mỗi một modul có một biến tần DC-AC riêng và đượckết nối tới lưới được thực hiện bằng cách kết nối các wirings trường biến tần ACvới nhau Ngoài ra còn có một sự cải thiện tổng thể độ tin cậy của hệ thống bởi vìkhông có điểm thất bại duy nhất cho hệ thống Nó có độ linh hoạt cao Tuy nhiêncác vi dụ này vẫn còn rất tốn kém so với hệ thống PV thông thường vì phải sử dụng

nhiều biến tần Các tổn thất điện năng của hệ thống là giảm do sự không tương thíchgiữa các phần giảm, nhưng các tổn thất liên tục trong biến tần có thể là giống nhưđối với các biến tần chuỗi.Các thiết bị điện tử công suất được lắp đặt bên ngoàicùng với các tấm PV và cần phải được thiết kế để hoạt động trong môi trườngngoài trời Các modul AC là một lựa chọn đầy hứa hẹn cho tương lai vì nó có thểđược sử dụng cho các cá nhân mà không cần am hiểu về chuyên ngành.

Hình 1.5: Cấu trúc của modul điện tử công suất AC

1.2.3 Cấu trúc điện tử công suất

Cấu trúc điện từ công suất cho hệ thống PV có thể được phân loại dựa trên sốlượng giai đoạn xử lý công suất vị trí của tụ điện tách điện, máy biến áp sử dụng,

và các loại giao diện mạng lưới [6]

a Một pha - một tầng

Cấu trúc chủ yếu cho biến tần PV là một pha , mạch như hình 1.6 điện áp đầu racủa bộ biến đổi DC từ các mảng được đưa qua tụ bộ lọc tụ lọc được sử dụng đểlàm giảm dòng sóng hài ở các mảng Đầu ra của tụ được kết nối tới một bộ biếnđổi cầu full bridge và đầu ra của bộ biến đổi được nối tới một cuộn cảm , hạn chếtần số cao và đưa vào hệ thống AC tổng điện áp đầu ra việc điều khiển tương thíchcác công tắc và có bộ điều khiển nối tiếp điều khiển các xung dương và xung âmcủa các nửa chu kỳ dương và âm của điện áp hình sin Để cho phép hoạt động hoặc

đạt được chỉ số công suất thì các công tắc phải được điều khiển để đáp ứng đượcđiện áp đầu ra đạt yêu cầu Điều khiển vòng lặp được sử dụng để đồng bộ hóa điện

áp đầu ra của biến tần và điện áp lưới Các mảng PV lúc đó được kết nối với lướithông qua một biến áp cách ly Có một vài hạn chế của cấu trúc này , đầu tiên tất cảcác modul được kết nối với các thiết bị cùng một MPPT Điều này gây tổn thấtcông suất nghiêm trọng

Hình 1.6: Cấu trúc một pha- một tầng

b một pha nhiều bậc

Để tránh cồng kềnh, máy biến ấp tần số thấp được coi là một thành phần thô chủyếu là do kích thước là hiệu quả thấp Hệ thống chuyển đổi nhiều bậc được sửdụng rộng rãi cho thế hệ PV Phổ biến nhất là cấu trúc 2 bậc bao gồm có một bộbiến tần DC-AC điều chế độ rộng xung cùng với một vài bộ biến đổi DC-DC đượckết nối với nhau.Nói chung bộ biến đổi DC-DC thực hiện theo dõi điểm công suấtlớn nhất và khuếch đại điện áp.Các biến tần DC-AC full bridge điều khiển dòngđiện lưới bằng hoạt động PWM Một thiết kế đơn giản cho biến tần nhiều bậc trìnhbày ở hình 1.7, trong đó sử dụng một biến áp tần số cao cho việc kết nối điện áp 1pha vào lưới.Điện áp DC đầu vào được đảo chiều để tạo ra một AC tần số cao bênphần sơ cấp của biến áp tần số cao điện áp thứ cấp của biến áp được chỉnh lưu kếtquả điện áp DC đầu ra được đưa qua một bộ biến tần nguồn dòng thyristor dòngđầu ra yêu cầu phải sin và cùng pha với điện áp dây Các dạng sóng điện áp đóđược phải tham chiếu với dạng sóng hình sin của dòng điện có biên độ được xác

định theo một bộ điều khiển biến tần có thể được điều khiển bằng cách sử dụngcác bộ điều chỉnh dòng điện

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 lọcđược đưa tới đầu vào của biến tần nguồn áp 3 pha Đầu ra của mỗi pha được nốivới 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 chuyểnmạch Một biến áp 3 pha được sử dụng để kết nối với lưới

Các cấu hình khác nhau không sử dụng biến áp có thể áp dụng cho hệ thống PV ,tuy nhiên những cấu trúc đó thường được sử dụng cho các quốc gia châu âu và nhậtbản vì ở đó việc nối đất cho biến tần là không bắt buộc tại hoa kỳ yêu cầu hệ thống

nố đất và phải giám sát việc nối đất khi điện áp vượt quá 50V

Hình 1.8: Cấu trúc biến áp ba phaHình 1.9 một biến áp được đưa vào bộ biến đổi DC tần số cao Cấu trúc này rấthữu ích cho cấu hình nhiều chuỗi ở đó mỗi chuỗi được kết nối với 1 bus DC vàchuyển sang lưới AC tương thích bằng cách sử dụng duy nhất 1 biến tần DC-AC.

Hình 1.9: Cấu trúc nhiều chuỗi có sử dụng biến áp tần số cao

1.2.4 Tổng quan về điện tử công suất và điều khiển

Từ những giả thiết trong các mục trước có thể thấy rằng cấu trúc chung nhấtcho cấu trúc điện tử công suất để ứng dụng của hệ thống PV là bộ biến đổi DC-DCđược nhúng cùng với một biến áp tần số cao , cùng với biến tần DC-AC được sửdụng như trình bày ở hình 1.9 Nhìn chung MPPT và điện áp tăng lên nhờ việc điều

khiển bộ biến đổi DC-DC điều khiển dòng chảy công suất tới lưới , hình sin và chỉ

số công suất được điều khiển bởi bộ biến tần DC-AC Sơ đồ khối đơn giản cho hệthống PV cùng với giao diện điện tử công suất và điều khiển được trình bày trênhình 1.10

Các mạch điện tử công suất trình bày trên hình 1.10 bao gồm có một bộ biến đổiDC-DC và một bộ biến tần ba pha Bộ biến đổi DC-DC dựa trên nghịch lưu nguồndòng 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 ápthứ cấp của biến áp được chỉnh lưu sử dụng chỉnh lưu cầu full bridge Điện áp DCchỉnh 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 hệthống PV.Trong những năm qua nhiều phương pháp MPPT đã được phát triển vàthực 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 sốphương pháp như : hill climbing, perturb and observe, incremental conductance,fractional open-circuit voltage, fractional short-circuit current, fuzzy logic andneural network control, ripple correlation control, current sweep, DC-link capacitordroop 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 Bằngcách đo điện áp và dòng điện công suất đầu ra của mảng PV được tính toán và sosánh với công suất ra của mảng PV thực tế Phụ thuộc vào kết quả so sánh chu kỳduty được thay đổi để điều khiển dòng đầu vào cho biến tần nguồn dòng Quá trình

này lặp lại cho đến khi điểm công suất tối đa đạt tới Các loại bộ điều khiển củaMPPT cũng được phát triển trong khuôn khổ của cùng một bộ điều khiển hơn nữangoài ra bộ điều khiển có thể được thiết kế để điều khiển biên độ điên áp AC tần sốcao ở bên phần sơ cấp của biến áp.

Có 2 chế độ điều khiển cơ bản cho việc kết nối biến tần vào lưới Một là điều khiểndòng điện dòng điện không đổi, cách khác là điều khiển công suất không đổi nóvẫn còn gây nhiều tranh cãi nếu một biến tần nên cho phép điều chỉnh điện áp trongkhi kết nối với lưới Các tiêu chuẩn dòng điện IEEE 1547 không cho phép phânphối sản lượng để chủ động điều chỉnh điện áp, trong khi một số người trong ngành

đề xuất điều chỉnh điện áp có thể có một số tác động tích cực trên lưới điện (Ye vàcộng sự năm 2006.) Điều chỉnh cho việc kết nối biến tần được trình bày với côngsuất không đổi hình 1.10

Hình 1.10: Cấu trúc chung điều khiển của hệ thống PV1.3 PIN NHIÊN LIỆU

1.3.1 Khái quát chung

Pin nhiên liệu hiện đang được phát triển có thể được sử dụng để thay thế chođộng cơ xe đốt trong cũng như các ứng dụng cho việc phát điện Một tế bào nhiênliệu là một thiết bị điện hóa học nó sản xuất ra điện mà không cần qua giai đoạn

trung gian nào cả Những lợi ích quan trong nhất của pin nhiên liệu là lượng khíthải, khí của hiệu ứng nhà kính thấp và mật độ năng lượng cao.Mật độ năng lượngcủa một tế bào nhiên liệu điển hình là 200Wh/l ,nó gần mười lần của ắc quy Hiệusuất của pin nhiên liệu cũng khá cao khoảng từ 40-60% Nếu nhiệt lượng thải ra màđược sử dụng cho đồng phát , thì hiệu quả tổng của hệ thống này lên tới 80% một

tế bào nhiên liệu ổn định tiêu biểu của hệ thống trình bày ở hình 1.11

Hình 1.11: Tế bào của hệ thống pin nhiên liệuPin nhiên liệu có thể phân loại thành 5 loại dựa vào chất điện phân hóa học : pinnhiên liệu trao đổi màng proton (PEMFC);pin nhiên liệu oxit rắn ; pin nhiên liệudùng cacbonnat nóng chảy; pin nhiên liệu kiểu axit phôtphoric; pin nhiên liệungậm nước có tính kiềm Trong các loại pin nhiên liệu này thì PEMFC đang đượcphát triển nhanh chóng như là một nguồn năng lượng chính trong cung cấp điện vàphân phối điện vì mật độ điện cao ,nhiệt độ làm việc thấp, bền và cấu trúc đơn giản.Đối với các loại pin nhiên liệu PEM, hydro và khí oxy được đưa vào trong các pinnhiên 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 sựphân bố đều của khí hydro áp lực trên bề mặt của chất xúc tác

Cathode lă kết nối tích cực của câc tế băo nhiín liệu,nó mang lại điện tử từ câcmạch điện bín ngoăi tới câc chất xúc tâc, nơi mă nó kết hợp với câc ion hydro vẵxy, tạo thănh nước, đó lă câc sản phẩm phụ của câc pin nhiín liệu Chất điện phđn

lă măng trao đổi proton, một loại vật liệu đặc biệt được điều trị, cho phĩp truyềndẫn câc ion tích điện dương, trong khi không cho phĩp câc điện tử đi qua nó Cómột chất xúc tâc tạo điều kiện cho câc phản ứng của oxy vă hydro Chất xúc tâcnăy thường lăm bằng bột bạch kim phủ trín một giấy than hoặc vải Chất xúc tâc lă

lỗ hổng để tăng tối đa diện tích bề mặt tiếp xúc giữa khí hydro vă oxy Phía bạchkim trâng của bề mặt chất xúc tâc lă chất điện phđn Hình 1.12 dưới đđy cho thấymột hình ảnh của một tế băo nhiín liệu măng trao đổi proton (PEMFC) Phản ứngđược mô tả trong một tế băo, dẫn đến tạo ra điện âp khoảng 0,7 vôn Nhiều pinnhiín liệu thường được ghĩp nối tiếp với nhau thănh một bộ để tăng điện âp lín.(Distributed Utility Associates 2003)

Hình 1.12: Quâ trình trao đổi protonMột số vấn đề kỹ thuật cần được khắc phục trước khi PEMFC có thể được âp dụngrộng rêi cho mục đích năng lượng tĩnh Hầu hết câc hệ thống sử dụng vật liệu đắttiền vă có một thời gian sử dụng ngắn trước khi hư hỏng Việc sử dụng hydro tinhkhiết gđy ra sự tổn hao của câc vật liệu điện vă chất xúc tâc, có thể dẫn đến thay thếtoăn bộ câc tế băo nhiín liệu sau khi hoạt động bị hạn chế Một trong những hăngrăo kỹ thuật lớn nhất để âp dụng rộng rêi PEMFCs lă sự phât triển của hệ thống lưutrữ vă phđn phối hydro an toăn Hidro có tỉ số năng lượng/hệ số thể tích thấp hơn so

với các nhiên liệu khác Nghiên cứu đổi mới đang được tiến hành để đạt được sựlưu 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 thốngbiến đổi điện, bao gồm biến tần, và bộ biến đổi DC-DC , thường được yêu cầu đểcung cấp nhu cầu tải bình thường cho khách hàng hoặc đưa điện vào lưới

Hình 1.13: Hệ thống pin nhiên liệu cùng với biến tần một pha

Hình thức đơn giản của cấu hình hệ thống pin nhiên liệu , hình 1.13 bao gồm hệthống pin nhiên liệu xếp chồng tiếp theo là bộ biến đổi DC-AC nếu có yêu cầucách ly hoặc chuyển đổi điện áp với tỷ lệ cao thì một biến áp được sử dụng vào hệthống Hạn chế chính của hệ thống này là một biến áp tần số thấp được đặt tại đầu

ra của biến tần nên làm cho hệ thống rất cồng kềnh và tốn kém

Một bộ biến đổi DC-DC thường được đặt ở giữa hệ thống pin nhiên liệu và biếntần

Bộ biến đổi DC-DC có 2 chức năng chính:

Hình 1.14: Cấu trúc hệ thống pin nhiên liệu với bộ biến đổi DC-DC

Một cấu hình khác có thể có của hệ thống bao gồm có một biến tần DC-AC tần sốcao nó cho phép chuyển đổi điện áp DC của pin nhiên liệu thành điện áp AC tần số

cao sau đó chuyển đổi điện áp AC tần số cao thành điện áp AC Cách này chuyểnđổi năng lượng trực tiếp hơn so với cấu trúc bus DC có bộ biến đổi DC cách ly.Cấu trúc này cho phép năng lượng chảy theo hai chiều và nó thích hợp hơn cho hệthống một pha

Hình 1.15: Cấu trúc hệ thống pin nhiên liệu có bộ biến đổi AC-AC

1.3.3 Cấu trúc điện tử công suất

Cấu trúc điện tử công suất cho hệ thống pin nhiên liệu rất đa dạng và dựa trên

số lượng và các tầng trong hệ thống chuyển đổi hai cấu trúc mà có thể sử dụngcho hệ thống pin nhiên liệu để cung cấp cho các hộ tiêu thụ bao gồm cấu trúccascaded DC-DC và DC-AC và cấu trúc cascaded DC-AC và AC-AC Ngoài rathời gian gần đây còn có phát triển hoặc đề xuất cho những ứng dụng của pin nhiênliệu 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 biếnđổi DC-DC kinh điển là bộ biến đổi cầu H như ở hình 1.16 (a) là một sự phát triểnmạnh mẽ đã được chứng minh Tuy nhiên để giảm tổn thất chuyển đổi , chuyểnmạch mềm PE giống như bộ biến đổi cầu có cộng hưởng nối tiếp hình 1.16 (b)

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 hoặcchế độ điều khiển dòng phải ngăn ngừa bão hòa từ biến áp tràn qua để tránh gâythiệt hại Lợi ích chính của cộng hưởng là bảo vệ ngắn mạch và làm cho biến ápkhông 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 thểđược 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 1.17trình 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 chocác 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 cảitiến của biến tần hard-switching cùng với ZVS Một biến đổi điều chế tần số có thểcải thiện phạm vi chuyển đổi mềm Cộng hưởng nhánh clamp biến tần là một cảithiện 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 cóthể được điều khiển 1,3 lần so với điện áp đầu vào Tuy nhiên chỉ có phương phápđiều biến mới có thể được sử dụng

Hình 1:17 Bộ nghịch lưu ba phaMột hệ thống điều hòa năng lượng cho pin nhiên liệu cùng với bộ biến đổi DC-DC

và biến tần DC-AC có thể được xây dựng với sự kết hợp của bộ chuyển đổi như đãthỏa luận ở trên Một ví dụ cho hệ thống pin nhiên liệu cùng với giao điện điện tửcông suất đưa vào một hệ thống 3 pha trình bày ở hình 1.18 Khi đó bộ biến đổiDC-DC cầu cách ly và một biến tần nguồn áp được sử dụng

Hình 1.18: Cấu trúc hệ thống pin nhiên liệu sử dụng bộ biến đổi DC-DC

1.3.4 Tổng quan về điện tử công suất và điều khiển

Từ các vấn đề thảo luận trong phần trước , thấy rằng cấu trúc tổng quan nhấtcho cấu trúc điện tử công suất cho hệ thống pin nhiên liệu là một bộ biến đổi DC-

DC cùng với một biến áp tần số cao được nhúng vào và một biến tần DC-AC như

hình 1.18 Nói chung việc tăng điện áp và cách ly bởi bộ biến đổi DC-DC Điềuchỉnh dòng công suất, cũng như đồng nhất sin và hệ số công suất bởi bộ biến tầnDC-AC Sơ đồ đơn giản của hệ thống pin nhiên liệu PEM cùng với việc điều khiển

và điện tử công suất như hình 1.19

Hình 1.19: Cấu trúc chung điều khiển của hệ thống pin nhiên liệu

hỗ trợ cho việc tăng tải Các máy phát điện hiệu quả thấp thì tốn kém để hoạt động

do chi phí cho nhiên liệu cao Một số hệ thống dữ trữ năng lượng đang được xemxét để khai thác năng lượng dư thừa được cung cấp bởi các máy phát hiệu quả nhấttrong quá trình tải thấp Năng lượng thu được có thể được phát lại vào lưới khi cầnthiết để loại bỏ sự cần thiết của các máy phát điện chi phí cao.Bao gồm lưu trữtrong hệ thống phân phối thường cung cấp cho người sử dụng khả năng phân phối

nguồn năng lượng của nó, thường là những nguồn năng lượng tái tạo như PVkhông có khả năng điều phối riêng Trong giai đoạn nhu cầu thấp năng lượng dưthừa có thể sử dụng để nạp cho các thiết bị lưu trữ.Hệ thống lưu trữ có thể được sửdụng 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 nănghữu ích Trong số các công nghệ này, ắc quy và bánh đà thường được tích hợp ởcấp 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 phổbiến có quan hệ với nhau, để hiệu suất của hệ thống đạt lớn nhất Ắc quy được kếtnối thông thường là các ăc quy axit ắc quy axit bao gồm các điện cực của kim loạichì và của oxit chì ngập trong chất điện phân gồm có 35% axit và nước dung dịchchất điện sản xuất ra các electrons, phân tạo dòng năng lượng chảy thông qua cácmạch điện bên ngoài

Các ắc quy axit là hình thức phổ biến của hệ thống lưu trữ năng lượng điện ngàynay.nó có một lịch sử thương mại của hơn một thế kỷ, và đang được áp dụng trongmọi 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 trữtrong các ứng dụng mới sự phổ biến này cũng gặp nhiều khó khăn như năng lượngriêng thấp, công suất riêng , và tuổi thọ ngắn và các mối nguy hiểm đối với môitrường

Chu kỳ ắc quy được thiết kế để phóng với thời gian gần đúng là 80% cùng với hiệusuất khoảng 85-95% Tất cả các pin axit cung cấp khoảng 2,14V/tế bào (12,6 V đến12,8 V cho một ắc quy 12 volt) khi sạc đầy Ắc quy lưu lượng làm việc tương tựnhư ăc quy axit , nhưng điện cực được lưu trữ trong các thùng chứa bên ngoài vàlưu thông thông qua các tế bào pin ngăn xếp theo yêu cầu Bể chứa bên ngoài củachất điện phân nạp lại được có thể lớn hơn sự cần thiết và được đặt ở nơi antoàn.Bởi vì mật độ năng lượng cao và chi phí tương đối thấp của kẽm, công nghệsạc pin kẽm từ lâu đã được coi là hấp dẫn đối với hệ thống lưu trữ năng lượng có

quy mô lớn Tương tự như vậy, dòng pin được công nhận là một công nghệ thuậnlợi cho các hệ thống lớn, vì nó có khả năng mở rộng cao và độ linh hoạt lớn trongthiết kế dòng Pin kẽm-brôm là sự kết hợp của hai công nghệ này, cùng với tiềmnăng lớn cho các ứng dụng Đối với các pin lưu lượng dung dịch chất điện phânlỏng được bơm từ các thùng chưa thông qua các phản ứng hóa học của ngăn xếpnơi năng lượng hóa học được chuyển thành năng lượng điện hoặc năng lượng điệnđược chuyển thành năng hóa học.có một số hạn chế của các nhà sản xuất pin NaScho các ứng dụng Ngoài ra còn có 5 công nghệ sử dụng công nghệ điện cực NikenNiFe, NiCd, NiH2, NiMH, NiZn, NiCd, NiMH,

1.4.2 Cấu hình của hệ thống pin lưu trữ

Tất cả các kỹ thuật pin, thảo luận trong phần trước sản xuất ra DC phảichuyển sang AC để kết nối tới các tiện ích Các tế bào pin thường được liên kếttrong các cấu hình khác nhau nối tiếp hoặc song song để đạt được điện áp và dòngđiện đầu ra theo yêu cầu Hệ thống bộ biến đổi công suất bao gồm bộ nghịch lưu ,

bộ biến đổi DC-DC thường cần thiết cho hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS)

để cung cấp nhu cầu tải của người sử dụng và đưa điện vào lưới khía cạnh độc đáocủa điện tử công suất cho hệ thống lưu trữ là năng lượng được chảy theo hai chiều,

mà cả hai bên nạp và phóng đều từ và tới lưới Không giống như các hệ thống PV

và pin nhiên liệu , tuy nhiên hệ BESS thì không xem xét tới vấn đề hoạt động vớicông suất cao nhất, nó chỉ có thể cung cấp mức công suất yêu cầu được duy trì bởi

và ở mức thấp nhất của nó khi hoạt động đầy đủ công suất Nhược điểm chính của

cấu hình này là biến áp tần số thấp đặt tại đầu ra của biến tần làm cho hệ thống rấtcồng kềnh và tốn kém Biến tần có thể là một pha hoặc ba pha tuy thuộc vào việcghép nối.

ra Ngoài ra trong một số cấu trúc điện tử công suất , biến áp tần số cao được sửdụng ở bộ biến đổi DC-DC để cách ly

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 nguồnnăng lượng của hệ thống lai.(hybrid).Khi sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như

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 1.22cho thấy một hệ thống lai có hệ BESS bao gồm năng lượng hệ thống gió.Ắc quyđược tích hợp vào bus DC của hệ thống năng lượng sức gió bằng cách sử dụng một

bộ biến đổi DC hai chiều Những hệ thống lai có thể khác nhau ,phụ thuộc nguồnnăng lượng chính và việc tích hợp BESS vào

May phat

Canh

quat

DC-AC

Hình 1.22: Hệ thống lai giữa hệ BESS và năng lượng gió

1.4.3 Cấu trúc điện tử công suất

Cấu trúc điện tử công suất cho hệ thống lưu trữ năng lượng có thể có nhiềudựa vào số tầng cascaded trong hệ thống chuyển đổi, các loại hình chuyển đổi, vấn

đề cách ly và ghép nối

Cấu trúc cơ bản nhất cho việc ghép nối của hệ BESS là một tầng như hình 1.23.trong khi điện áp DC đầu ra của hệ thống lưu trữ được ghép nối qua một tụ lọc ,tụđiện được sử dụng để loại bỏ dòng sóng hài ở ắc quy Đầu ra của tụ điện được ghépnối với một biến tần nguồn áp, phụ thuộc vào các tiện ích được kết nối biến tần có

thể là một pha hoặc ba pha Đầu ra của biến tần được ghép nối với một bộ lọc thụđộng để ngăn chặn sóng hài tần số cao đưa vào hệ thống AC Sản lượng điện áp ACđầu ra tương ứng với việc điều khiển các thiết bị chuyển mạch và bao gồm một bộđiều khiển các xung dương và âm tương ứng với nửa chu kỳ dương và âm của hìnhsin.

Hình 1.23: Cấu trúc điện tử công suất sử dụng nghịch lưu 1 pha và 3 phaPhổ biến nhất là cấu trúc hai tầng của hệ BESS bao gồm có bộ nghịch lưu nguồn ápđược ghép nối với lưới cùng với bộ biến đổi DC-DC hai chiều Bộ nghịch lưu cầufull-bridge điều khiển dòng điện lưới bằng phương pháp điều biến độ rộngxung(PWM) Một thiết kế đơn giản cho cấu trúc điện tử công suất hai tầng nhưhình 1.24 kết hợp với một bộ biến đổi DC-DC full-bridge có thể hoạt động ở bất kỳphân 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

Hình 1.24: Cấu trúc cascaded với bộ biến đổi DC-DC và DC-AC

Tât cả các cấu trúc điện tử công suất thảo luận phần trước không có cách ly Đốivới các ghép nối hữu ích, một biến áp tần số cao được sử dụng cho việc cách ly Đểtránh sự cồng kềnh , biến áp tần số thấp Một số bộ biến đổi DC-DC hai chiều cócách ly đã được phát triển Một cấu trúc (như hình 1.25) cung cấp cách ly giữa cácthiết bị đầu ra và các thiết bị đầu vào , và có thể tăng hoặc giảm điện áp đầu ra của

nó dựa vào biến áp tần số cao

Hình 1.25: Cấu trúc sử dụng bộ biến đổi DC-DC có cách ly

1.4.4 Tổng quát về điện tử công suất và điều khiển

Từ từ những vẫn đề thảo luận trong phần trước ,có thể thấy rằng cấu trúctổng quát nhất cho cấu trúc điện tử công suất của hệ thống lưu trữ năng lượng pin là

bộ biến đổi DC-DC hai chiều cascaded với bộ nghịch lưu nguồn áp như hình 1.26

Có nhiều chế độ hoạt động khác nhau của hệ BESS được ghép nối với lưới Cácbess cũng có thể trả năng lượng tới lưới khi nó phóng hoặc có thể nhận năng lượng

từ lưới để nạp cho chính bản thân nó Chế độ họat động của khối điều khiển nhưhình 1.26, quyết định hoạt động nạp hay xả cho hệ BESS Việc thiết kế cho hệthống điện tử công suất khác nhau ở chế độ nạp và phóng Căn cứ vào chế độ đó

mà ắc quy được hoạt động, Các tín hiệu điều khiển từ khối nạp và phóng được ghépnối với hệ thống điện tử công suất bằng việc lựa chọn thiết bị chuyển mạch SW1 vàSW2

Chế độ hoạt động điều khiển khối được thiết kế dựa trên một sơ đồ đơn giản củaBESS BESS có thể đưa công suất vào lưới trong thời gian tải đỉnh nếu điện áp củaBESS lớn hơn điện áp bình thường

Trong chế độ xả dựa trên điện áp hiện tại (Vb) và điều kiện nạp của bess tín hiệu Prefxác định độ lớn và hệ số xả được tạo ra Bess có thể được nạp bất cứ lúc nào , cungcấp các SOC của pin nhỏ hơn dung lượng lưu trữ tối đa (SOCmax) Tín hiệu điềukhiển các thiết bị chuyển mạch dựa trên một bảng tra cứu Theo thiết kế tín hiệu 0

có nghĩa là không xác định , 1 là xả và 2 cho biết là nạp Tín hiệu này đồng thờiđiều thiết bị chuyển mạch SW1 và SW2 Dựa trên trạng thái của tín hiệu này, bộbiến đổi điện tử công suất sẽ được ghép nối với khối nạp hoặc khối xả Các lịchtrình xả -nạp cũng có thể được lập trình trong việc điều khiển chế độ hoạt động tùythuộc vào ứng dụng

Khi chế độ hoạt động của hệ bess là nạp năng lượng sẽ chảy từ lưới tới hệ thống ắcquy thông qua bộ biến đổi công suất Bộ biến đổi DC-DC sẽ xác định điện áp trêncác cực của ắc quy và trên cơ sỏ đó cho phép ắc quy nạp bộ điều chỉnh điện áp của

ắc quy sẽ tạo ra dạng PWM dựa trên điện áp tham chiếu Vb* như vậy điện áp Vbcho phép điện áp tham chiếu này Đối với điều khiển riêng, bộ biến đổi DC-DC cầnmột đầu vào là điện áp một chiều không đổi, bộ biến đổi DC-AC làm việc như một

bộ chỉnh lưu có điều khiển và bộ điều khiển sẽ duy trì giá trị điện áp bus DC theogiá trị đặt Điều khiển thiết kế này là một phương án của việc điều khiển nănglượng không đổi

Trong chế độ xả, năng lượng chảy từ bess tới lưới Trong chế độ này, bộ biến đổiDC-DC duy trì điện áp bus DC cho biến tần ,và ghép nối biến tần với lưới điềukhiển dòng chảy công suất tác dụng và công suất vô công, điều khiển ghép nối biếntần với lưới như hình 1.26, cung cấp công suất điều khiển không đổi Nhiều chứcnăng điều khiển để phân phối cùng với các vấn đề thực tế không được trình bày ở

sơ đồ như điều chỉnh nghịch , sự cách ly Các mạch vòng điều chỉnh dòng điện bêntrong và mạch vòng điều chỉnh công suất bên ngoài Trong một vài trường hợp ,công suất phản kháng tham chiếu có thể là chỉ số công suất tham chiếu bằng việcđiều chỉnh tham chiếu này, dòng điện được đưa vào lưới có thể được duy trì ở hệ sốcông suất đơn vị Đầu ra của hệ thống là tín hiệu sin PWM tần số cao cho các thiết

bị chuyển mạch của biến tần nguồn áp.Khi công suất tham chiếu tác dụng tăng lên ,biến tần cố gắng lấy năng lượng từ bus DC , do đó điện áp bus DC giảm đi Các bộđiều chỉnh điện áp DC link như hình 1.26 ,cố gắng duy trì điện áp DC không đổibằng cách thay đổi dạng chuyển đổi PWM cho các thiết bị chuyển mạch chỉnh lưuđiều khiển ba pha

sử dụng khí thiên nhiên, propan, hoặc xăng, hoặc loại nén sử dụng xăng hoặc dầunặng Khí thiên nhiên là nhiên liệu làm cho máy phát điện bền Tuy nhiên động cơđốt trong cũng có thể tân dụng propan hoặc nhiên liệu lỏng cho quá trình cháy loạichu kỳ nén của động cơ có thể hoạt động ở dầu diezel hoặc dầu nặng Hoặc chúngcũng có thể được thiết lập với một cấu hình nhiên liệu kép đốt cháy chủ yếu là khí

tự nhiên với một lượng nhỏ nhiên liệu diesel thí điểm Dòng điện ban đầu của động

cơ thấp , khởi động dễ, độ tin cấy đã được kiểm chứng, đặc tính tải tốt phát nhiệtcủa động cơ đã giảm đáng kết trong vài năm qua do khí thái đã được thiết kế tốthơn và điều khiển được quá trình cháy Động cơ đốt trong rất thích hợp cho chế độchờ, đạt đỉnh, và các ứng dụng trung gian, và cho hệ thống kết hợp nhiệt và điện,

và cho các ứng dụng trong chiếu sáng có công suất nhỏ hơn 10MW

Đối với việc đánh lửa của động cơ, nhiên liệu và không khí được trộn lẫn với nhautrước khi đưa vào các xylanh đốt Nhưng ngược lại dầu diezel,nhiên liệu, không khíđưa vào thì tách biệt nhau cùng với nhiên liệu sau khi được đưa vào Sau đó khôngkhí bắt đầu bị nén Các xylanh cháy đóng một đầu lại còn một đầu thì chứa mộtdịch chuyển Các hỗn hợp nhiên liệu-không khí sau đó được nén là piston chuyểnđộng về phía trên của xylanh Gần thời điểm piston đạt đến phía trên của hành trìnhmột tia lửa được đưa vào để đốt cháy hỗn hợp.Áp lực của nó nóng lên, điều khiểnpiston dịch chuyển xuống phia dưới năng lượng tịnh trong kiểu piston chuyển độngsau đó được chuyển đổi sang các năng lượng quay của trục khuỷu một Khi pistondịch chuyển xuống phía dưới của hành trình, lúc đó một van xả được mở ra để xảcác khí thải.Hầu hết các động cơ thương mại đều được dùng chon việc phát điện ,

là 4 thì và hoạt động trong 4 chu kỳ (hút, nén , đốt, xả) hình 1.27 trình bày cơ bản

về hệ thống động cơ đốt trong Cả hai động cơ diezel(đánh lửa nén) và động cơ khíthiên nhiên đều rất phổ biến nhưng nó ngày càng gặp khó khăn về địa điểm xâydựng máy phát điện, đặc biệt là máy có kích thước lớn hơn Nghiên cứu động cơhiện nay chủ yếu tập trung vào hiệu quả tăng lên và lượng khí thải thấp hơn (Farret

và Simoes 2006)

Hình 1.27: Hệ thống máy phát động cơ đốt trong

1.5.2 Cấu hình hệ thống động cơ đốt trong

Thông thường , hầu hết các động cơ đốt trong được nối thông với một máyphát đồng bộ tốc độ ổn định có rơ le bảo vệ Để kết hợp phát điện và kết nối trựctiếp vào lưới ,tần số máy phát điện phải giữ liên tục 60Hz.Phụ thuộc vào số cực củamáy phát, tuy nhiên các động cơ đốt trong không sử dụng hết phạm vi tốc độ hoặcloại bỏ tải

Sử dụng giao diện điện tử công suất cùng với động cơ đốt trong cung cấp lợi ích là

có thể thay đổi tốc độ hoạt động của động cơ đốt trong, do đó tối ưu hóa việc sửdụng nhiên liệu và thay đổi tải Tốc độ của động cơ có thể được điều khiển để đápứng sự thay đổi của tài và tối ưu hóa cho việc kết hợp giữa động cơ và máyphát.ngoài ra điện tử công suất cung cấp thêm tính linh hoạt cho hệ thống lưu trữ,đặc biệt là chế độ đảo

Hình 1.28 cho thấy một cấu hình máy phát động cơ nó tích hợp một máy phát đồng

bộ , hoặc là máy phát điện không đồng bộ cảm ứng, để nối với lưới.máy phátchuyển đổi năng lượng cơ học thành điện áp và tần số thay đổi theo tốc độ động

cơ Các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu sau đó được sử dụng để chuyển đổi đầu ra củamáy phát tới công suất phù hợp với hệ thống lưới điện Đối với các máy phát điệncảm ứng công suất phản kháng có thể được bù theo yêu cầu

Hình 1.28: Cấu trúc động cơ có tốc độ thay đổi cùng modul điện tử công suấtMột giải pháp khác cho việc sử dụng bộ chuyển đổi công suất trung bình cùng vớimột máy phát điện có cuộn dây rôto cảm ứng Một bộ biến đổi công suất được nốivới roto thông qua các vành trượt để điều khiển dòng roto.Nếu máy điện đang chạysiêu đồng bộ năng lượng điện được phân phối thông qua cả roto và stato.Nếu máyphát chạy dưới đồng bộ thì năng lượng chỉ được cung cấp từ roto vào lưới.

Loại máy phát điện cảm ứng được biết đến như là một máy phát có công suất tănggấp hai Giải pháp này thì đắt hơn so với các giải pháp cổ điển Ưu điểm của thiết

kế này là nó cung cấp bù công suất phản kháng/sản xuất và tăng được năng lượngthu được từ động cơ đốt trong Sự sắp xếp này làm cho cuộn dây stato của máyphát điện có kích thước giảm đi 25% cùng với giao diện điện tử công suất tạo nên

sự khác nhau của năng lượng roto

1.5.3 Cấu trúc điện tử công suất

Một cấu trúc điện tử công suất điển hình được sử dụng cho động cơ đốt trongcùng với máy điện nam châm vĩnh cửu như hình 1.29 Điện áp ba pha, tần số đầu racủa động cơ đốt trong được chỉnh lưu bằng cầu diot Tín hiệu đầu ra chỉnh lưu đượclọc thành một dạng sóng DC phẳng nhờ một tụ lớn Tín hiệu DC được chuyển đổithành điện áp AC 60Hz nhờ bộ biến tần nguồn áp.Dạng sóng điện áp thu được cóthể thu nhỏ lại bằng cách sử dụng một biến áp có mức điện áp yêu cầu máy biến ápcòn có tác dụng cách ly cho việc kết nối với lưới Thay cho việc chỉnh lưu thụđộng,Một chỉnh lưu tích cực 2 chiều sử dụng thiết bị chuyển mạch IGBT, cho phéptái sinh Ngoài ra các yêu cầu của công suất phản kháng cho máy phát điện cảmứng được thỏa mãn với bộ biến đổi 2 chiều

Hình 1.29: Cấu trúc máy phát đồng bộ cùng với modul điện tử công suấtYêu cầu điện tử công suất cho DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) bao gồmmột AC-DC-AC dựa trên bộ biến đổi điều biến độ rộng xung Cuộn dây stato đượckết nối trực tiếp với lưới có tần số 60Hz trong khi roto được thay đổi tần số thôngqua bộ biến đổi AC-DC-AC.Một cấu trúc điện điển hình của DFIG(Doubly-FedInduction Generator) như hình 1.30,sử dụng cách bố trí bộ biến đổi back-to-back.chỉnh lưu/nghịch lưu có tụ DC link để chuyển đổi công suất Bên AC của bộchỉnh lưu được gắn với roto cảm ứng thông qua các vành trượt bộ nghịch lưu đượcgắn với lưới có tần số ổn định.

Hình 1.30: Cấu trúc DFIG cùng với bộ biến đổi AC-DC-AC

Mặc dù tốc độ của động cơ đốt trong thay đổi cùng với máy phát điện đồng bộhoặc cảm ứng , cung cấp hiệu suất tốt hơn về hiệu quả nhiên liệu Nó không đápứng được tốt như máy phát điện động cơ đốt trong thông thường tới sự thay đổi độtngột của tải bới vì do quán tính và giới hạn công suất.Trong một số điều kiện , điện

áp của tụ DC link sẽ bị phá hủy trừ khi có một nguồn năng lượng dự trữ.một cấu

trúc điện tử công suất được sử dụng cùng với sự thay đổi tốc độ của động cơ đốttrong và cho việc dự trữ năng lượng như hình 1.31.

Đầu ra của máy phát điện được chỉnh lưu thành DC và được đưa đến một bộ biếnđổi tăng áp.Một hệ thống dữ trữ năng lượng DC được kết nối tới bus DC sử dụng

bộ biến đổi DC-DC 2 chiều full-bridge.Một bộ nghịch lưu nguồn áp được sử dụngcho việc kết nối tới lưới ngoài ra việc bổ sung thêm modul dự trữ năng lượng chophép chuyển đổi năng lượng liên tục cho các phụ tải địa phương trực tiếp từ hệthống động cơ đốt trong trong trường hợp mất điện lưới

G

May phat

Dong co

luoi Bien ap 3 pha

ac quy

DC-DC

Hình 1.31: Cấu trúc điện tử công suất với hệ thống lai ắc quy

1.6 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ , TUA BIN , BÁNH ĐÀ

1.6.1 Hệ thống gió

a, Khái quát chung

Tubin gió chuyển đổi năng lượng động năng thành năng lượng cơ học nó cóthể chuyển đổi thành năng lượng điện cùng với một máy phát Năng lượng thườngđược tạo ra cùng với một máy phát điện cảm ứng hoặc cùng với một máy phát điệnđồng bộ Công suất đầu ra thường nằm giữa khoảng 10kW đến 2,5MW và nănglượng gió được thu thập lại sử dụng cánh quạt và được ghép nối tới roto của máy

phát Năng lượng chỉ được phát ra khi có gió thổi, giống như hệ thống PV khôngmất chi phí nhiên liệu, nhưng yêu cầu phải bảo dưỡng định kỳ cho tuabin gió Mộttuabin gió 100kW được thể hiện trong hình 1.32

Hình 1.32: Tua bin gió 100KW

b, Cấu hình của hệ thống tuabin gió

Trong hai thập kỷ qua, năng lượng gió đã trưởng thành lên một mức tiến bộ

nó đã trở thành nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi như là một công nghệ hữuích Sự tăng trưởng của thị trường tua bin gió trên toàn thế giới trong năm năm qua

đã được khoảng 30% một năm, và năng lượng gió đang đóng một vai trò ngày càngquan trọng trong phát điện Các thành phần chính của hệ thống năng lượng gióthông dụng được minh họa trên hình 1.33, bao gồm cánh tuabin, hộp số, máy phátđiện, biến áp, điện tử công suất tiềm năng

Hình 1.33: Thành phần chính của máy phát điện sức gió

Công nghệ tuabin hiện đại về cơ bản có có thể chia thành ba loại :

1 hệ thống không có điện tử công suất

2 hệ thống cùng với các phần điện tử công suất

3 hệ thống đầy đủ giao diện điện tử công suất cho tua bin gió

Hệ thống tubin gió không có điện tử công suất sử dụng một máy phát điện cảmứng Các tua bin gió quay trục roto của roto lông sóc của máy phát điện cảm ứngđược ghép nối trực tiếp với lưới mà không sử dụng bất kỳ một giao diện điện tửcông suất nào Tua bin gió phải hoạt động ở một tốc độ không đổi và điều chỉnh tốc

độ roto bằng cách điều khiển bước cánh quạt của tuabin gió Máy phát điện cảmứng đỏi hỏi công suất phản kháng để hoạt động có thể được cung cấp từ lưới hoặc

từ các tụ điện ghép nối với các cực của máy phát.Những máy này không thể cungcấp công suất phản kháng và thường yêu cầu một khởi động mềm để giảm dòngkhởi động trong quá trình khởi động Hình 1.34 cho thấy cấu hình cơ bản của thiết

kế này

Hình 1.34: Ghép nối trực tiếp máy phát điện với cấu trúc điện tử công suất

Hệ thống cùng với một phần thiết bị điện tử công suất yêu cầu một máy điện cảmứng roto dây quấn ở đó cả hai cuộn dây roto và stato đều có thể tiếp cận được.Năng lượng từ roto quay được thu thập thông qua các vành trượt.đầu ra của máyphát được đưa qua một bộ chỉnh lưu PE (power electronics) và hệ thống biến tầnchuyển đổi tần số biến thiên vào lưới thích hợp với nguồn AC có điện áp và tần sốphù hợp.hình 1.35 cho thấy hệ thống tua bin gió ở đó máy phát điện là máy phátcảm ứng roto dây quấn Một điện trở được điều khiển bởi điện tử công suất bổ sung

vào roto cho việc thay đổi tốc độ từ 2-4% Giải pháp này cũng cần một khởi độngmềm và bộ bù công suất phản kháng.

Một bộ biến đổi công suất trung bình cùng với một máy phát roto cảm ứng roto dâyquấn gọi là máy phát đôi(DFIG) như hình 1.35(b) Một bộ biến đổi công suất đượcghép nối với roto thông qua các vành trượt để điều khiển dòng roto Thiết kế nàycho phép tua bin gió có tỷ số tốc độ hoạt động thay đổi Nếu máy phát chạy với tốc

độ siêu đồng bộ thì năng lượng được phân phối cả roto và stato, nhưng phươngpháp này chi phí cao hơn phương pháp cổ điển , lợi ích của phương pháp này làcung cấp và bù được công suất phản kháng và năng lượng thu được từ các tua bingió tăng lên Lắp ráp này cho phép cuộn dây stato nhỏ hơn bình thường khoảng25% cùng với việc ghép các thiết bị điện tử công suất làm cho công suất roto có sựkhác biệt

Hình 1.35: Máy phát điện cảm ứng cùng với modul điện tử công suất

Dạng thứ 3 của việc thiết kế tua bin gió thể hiện như ở hình 1.36 hệ thống sử dụngđầy đủ các thiết bị điện tử công suất cho giao diện của tua bin gió vào lưới Hệthống phát điện sử dụng máy phát đồng bộ thông thông thường hoặc máy phát điệnđồng bộ nam châm vĩnh cửu để chuyển đổi năng lượng gió tới đầu ra có điện áp,

tần số thay đổi cùng với sự thay đổi của tốc độ Các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu sau

đó được sử dụng để chuyển đổi đầy đủ năng lượng danh định của máy tới nănglượng tương thích với hệ thống lưới.cấu trúc này sẽ gây tổn thất năng lượng trongquá trình chuyển đổi ,nhưng nó sẽ cung cấp bổ sung khuếch đại năng lượng nhờphẩm chất kỹ thuật của nó Thiết kế này cho phép tua bin gió hoạt động ở chế độtốc độ thay đổi, cho phép thu được nhiều năng lượng gió hơn

Hình 1.36: Cấu trúc máy điện đồng bộ

c, Cấu trúc điện tử công suất

Một cấu trúc điện tử công suất điển hình sử dụng cho máy phát điện đồng bộnam châm vĩnh cửu như ở hình 1.37 Điện áp ,tần số đầu ra thay đổi của tua bin gióđược chỉnh lưu bằng cầu diot Cùng với sự thay đổi tốc độ của máy phát đồng bộ ,điện áp bên DC của cầu chỉnh lưu sẽ thay đổi Để duy trì điện áp DC link của biếntần một bộ tăng áp được sử dụng để đua vào bộ chỉnh lưu điện áp Như vậy khi tanhìn từ nguồn DC của biến tần thì hệ thống máy phát chỉnh lưu được mô hình hóathành một nguồn dòng lý tưởng Tín hiệu từ đầu ra của bộ chỉnh lưu này được đưavào bộ lọc để san phẳng điện áp một chiều nhờ tụ điện lớn tín hiệu DC sau đóđược nghịch lưu thông qua các thiết bị bán dẫn tạo thành điện áp ba pha 60Hz.Dạng sóng điện áp này sau đó được điều chỉnh bằng cách sử dụng một biến áp đểđiện áp phù hợp với lưới.Máy phát được tách rời với lưới nhờ một nguồn áp DClink Do vậy bộ PE cung cấp một đặc tính điều chỉnh tuyệt vời cho hệ thống nănglượng sức gió Bộ biến đổi công suất tới lưới cho phép điều khiển công suất tác

dụng và công suất phản kháng nhanh chóng Tuy nhiên mặt tiêu cực đây là một hệthống phức tạp và các thiết bị điện tử công suất đòi hỏi phải rất nhạy cảm.

Hình 1.37: Cấu trúc máy phát điện đồng bộ sử dụng bộ tăng áp

Các bộ điện tử công suất yêu cầu cho hệ thống DFIG bao gồm bộ biến đổi PWMAC-DC-AC Cuộn dây stato được ghép nối trực tiếp với lưới 60Hz trong khi rotocung cấp tần số thay đỏi thông qua các bộ biến đổi AC-DC-AC Một cấu trúc điểnhình của DFIG như hình 1.38 sử dụng cách bố trí back-to back cùng với DC link

để chuyển đổi năng lượng Bên phía AC của bộ chỉnh lưu được ghép nối roto củamáy phát cảm ứng thông qua các vành trượt Đầu ra của biến tần được ghép nối vớilưới hệ hống này thuộc loại tốc độ thay đổi tần số không đổi Cấu hình của DFIGthường sử dụng cho các hệ thống năng lượng sức gió có công suất trên 1MW

Hình 1.38: Bộ biến đổi AC-DC-AC cho DFIG

1.6.2 Tua bin

a, Khái quát chung

Tua bin đã được phát triển và ứng dụng cho việc sử dụng điện Công suấtđầu ra của tuabin thường nằm trong khoảng 30kw đến 400kw Chúng được sử dụngcho các hệ thống phân phối năng lượng được tạo ra hoặc kết hợp với các hệ thốnglàm mát, sưởi

Tuabin có thể đốt cháy nhiều nhiên liệu như khí tự nhiên, khí gas, xăng,diesel, dầu hỏa , dầu mỏ, rượu, propan, khí metan, và khí nấu Đa số các thiết bịcông nghiệp ngày nay thường sử dụng khí gas tự nhiên làm nhiên liệu chính của họ.Các tua bin hiện đại đã tiến triến đáng kể với các thành phần tiến bộ như bộ biếntần, bộ trao đổi nhiệt, điện tử công suất, truyền thông, và hệ thống điều khiển.Tronghầu hết các cấu hình, các trục của tua bin quay lên tới tốc độ 120000RPM điềukhiển máy phát ở tốc độ cao Đầu ra tần số cao của máy phát đầu tiên được chỉnhlưu và sau đó chuyển đổi thành nguồn xoay chiều AC Các hệ thống có khả năngcung cấp năng lượng tại hiệu suất khoảng 25-30% bằng cách sử dụng bộ chuyểnđổi nhiệt để chuyển đổi nhiệt năng từ dòng khí thải trở vào dòng khí vào Các hệthống được làm mát bằng không khí, và thậm chí sử dụng ổ đỡ không khí để loại

bỏ nước và hệ thông dầu kích thước của tua bin thích hợp cho các tòa nhà thươngmại hoặc các trung tâm công nghiệp , cho các ứng dụng kết hợp nhiệt và điện hoặccho các ứng dụng điện, một hệ thống tua bin điển hình như ở hình 1.39

Hình 1.39: Tua bin

b ,Cấu hình của hệ thống tua bin

Cấu tạo của trục xác định nhiều đặc điểm quan trọng của tua bin mà cuốicùng nó sẽ ảnh hưởng tới các yêu cầu của điện tử công suất và hệ thống điều khiển

Cơ bản có hai loại cấu trúc trục: trục đơn và trục chia thành nhiều phần Ở một tốc

độ cao, thiết kế trục đơn, máy nén và tun bin được lắp trên cùng một trục và máyphát quay với tốc độ từ 90000 đến 120000 vòng trên phút Các tua bin điều khiểnmột máy phát tần số cao có thể là đồng bộ hoặc không đồng bộ Việc thiết kế rotolồng sóc ở máy phát không đồng bộ (hoặc cảm ứng) hướng tới chế tạo it tốn kémhơn máy phát đồng bộ máy phát điện đồng bộ với roto là phần cảm đựơc thiết kế

sử dụng nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây cùng bổ sung phần cứng cho việc cungcấp dòng điện Mặc dù máy phát điện không đồng bộ hiếm khi sử dụng trong côngnghiệp cho ứng dụng của tua bin, nó phổ biến trong các hệ thống phân phối nănglượng khác như năng lượng gió

ở ứng dụng thông thường tua bin tốc độ thấp,máy phát điện đồng bộ có nhiều ưuđiểm như có thể ghép nối trực tiếp với lưới nếu tốc độ được điều chỉnh một cáchđúng đắn Thường điều này không ứng dụng cho các tua bin tốc độc cao Đối vớitất cả các loại máy phát điện, tạo ta điện áp ba pha tần số cao thường nằm trongkhoảng 1000Hz đến 3000Hz phải được chuyển đổi thanh tần số dòng trước khithích ứng với các ứng dụng cho người sử dụng hoặc cho lưới Hình 1.40 cho thấymột sơ đồ chung của hệ thống máy phát tua bin cùng với một bộ biến đổi công suất

bộ biến đổi công suất về bản chất để chuyển đổi điện áp tần số cao thành điện áptần số 60Hz.Bộ biến đổi công suất cũng có thể được thiết kế để cung cấp giá trị phụthuộc vào yêu cầu của người sử dụng và lưới Các phục này như : hỗ trợ điện áp, bùtĩnh