Báo cáo điều khiển hệ thống điện công nghiệp thường liên quan đến việc nghiên cứu và ứng dụng quy trình điều khiển trong các hệ thống điện. Đây có thể là báo cáo từ các khóa học hoặc đồ án nghiên cứu tại các trường đại học, ví dụ như Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nội dung báo cáo thường bao gồm các nguyên lý điều khiển, ứng dụng động cơ ba pha, và một số kỹ thuật điều khiển tự động khác.
KHỞI ĐỘNG TUẦN TỰ
Yêu cầu thiết kế
Mạch điều khiển tuần tự là mạch điện được ứng dụng trong các hệ thống có thời gian vận hành liên tục, không được phép gián đoạn và được khởi động theo thứ tự các động cơ như: hệ thống băng tải, hệ thống bơm nước, hệ thống chiếu sáng, …
Thiết kế mạch động lực
Hình 1.1: Mạch động lực tuần tự
Thiết kế sơ đồ nối dây và các phần tử liên quan
Hình 1.2: Sơ đồ nối dây của mạch 1.3.2 Bảng mô tả các phần tử trong mạch
Bảng 1.1: Mô tả các phần tử trong mạch
TT Ký hiệu Mô tả Địa chỉ Giá trị Ghi chú
1 MCCB CB bảo vệ 3 pha
4 OL1 Relay nhiệt 1 Bảo vệ sự cố
5 OL2 Relay nhiệt 2 Bảo vệ sự cố
6 Q1 Cuộn dây cho MC1 100.00 Điểm đầu ra
7 Q2 Cuộn dây cho MC2 100.03 Điểm đầu ra
8 STOP Nút nhấn dừng 0.01 Điểm đầu vào
9 START Nút nhấn bắt đầu 0.05 Điểm đầu vào
Nguyên lí điều khiển
1.4.1 Thiết kế lưu đồ điều khiển
Hình 1.3: Lưu đồ điều khiển
1.4.2 Giải thích nguyên lí hoạt động
- Khi nhấn Start: MC1 có điện -> động cơ 1 chạy Timer đếm xuống, sau khoảng thời gian (10s), MC2 có điện -> động cơ 2 chạy.
- Khi nhấn Stop: MC1 và MC2 mất điện -> 2 động cơ dừng.
Xây dựng mô hình mô phỏng
Hình 1.4: Giao diện mạch tuần tự 1.5.2 Sơ đồ ladder
Kết quả và nhận xét
Tóm lại, mạch điều khiển tuần tự là một phần quan trọng của hệ thống tự động hóa và có thể được tùy chỉnh để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau đã đề xuất theo yêu cầu trên.
THANG CUỐN
Giới thiệu
Thang cuốn là một hệ thống vận chuyển tự động giúp người di chuyển giữa các tầng của tòa nhà mà không cần bước đi Nó bao gồm các bậc thang di động và tay vịn,hoạt động liên tục và an toàn cho người sử dụng Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của thang cuốn, việc sử dụng hệ thống điều khiển là vô cùng quan trọng.
Một số ứng dụng tiêu biểu
Thang cuốn được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống nhằm phục vụ cho mọi người ở những nơi công cộng đông người Dưới đây là một số nơi người ta ứng dụng thang cuốn vào trong thực tiễn và đời sống:
+ Trong trung tâm thương mại và siêu thị: Thang cuốn là phương tiện di chuyển thuận tiện và nhanh chóng để người mua có thể di chuyển giữa các tầng trong các trung tâm mua sắm lớn mà không cần phải leo cầu thang.
+ Trong ga tàu điện ngầm và sân bay: Thang cuốn được sử dụng rộng rãi để chuyển động hành khách từ tầng trên xuống tầng dưới hoặc ngược lại trong các ga tàu điện ngầm và sân bay, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao sự thuận tiện.
+ Trong các cơ sở y tế và trường học: Thang cuốn có thể được sử dụng để chuyển các bệnh nhân hoặc các học sinh từ tầng này sang tầng khác trong các bệnh viện và trường học lớn để thuận tiện cho việc di chuyển.
Yêu cầu điều khiển
Thang cuốn có 2 chế độ hoạt động gồm chế độ tay và chế độ tự động Tuỳ
+ Chế độ tự động trong hoặc ngoài giờ cao điểm: Chế độ tự động dùng để vận hành chính trong thang cuốn Bằng cách điều chỉnh thời gian hoạt động của hệ thống thang cuốn, chúng ta sẽ cài đặt chế độ tự động trong thang cuốn Ngoài ra, khi hoạt động ngoài giờ cao điểm, người ta sẽ cho thang cuốn tạm ngưng hoạt động và cài đặt thêm cảm ứng (sensor) khi có người sử dụng thang cuốn Lúc này thang cuốn sẽ hoạt động trong khoảng thời gian ngắn nhất định nhằm mục đích tiết kiệm điện.
2.3.2 Bảng mô tả các phần tử trong mạch
Bảng 2.1: Mô tả các phần tử trong mạch
STT Symbol Description Addre ss Valu e Notes
1 MAN_AU MANUAL OR AUTO
2 ON_OFF RUN OR STOP ESCA W0.02 SWITCH_O
10 SENSOR Human proximity sensor 0.00 INPUT
TUS W20.0 sens or Flash lamp
12 AUTOMODE Run in auto mode W100.
Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.1: Sơ đồ động lực mạch thang cuốn
Hình 2.2 Sơ đồ nối dây thang cuốn
- Chế độ bằng tay( RUN/STOP): dùng để vận hành thang cuốn theo cách truyền thống bằng tay.
+ Ở chế độ OFF: thang cuốn không hoạt động
+ Ở chế độ ON: lúc này đèn báo ESC_running sẽ sáng, thể hiện rằng thang cuốn dang ở chế độ hoạt động.
- Ở chế độ tự động( AUT/MAN): thang cuốn được vận hành bởi hệ thống.+ MANUAL(chế độ bằng tay): lúc này thang cuốn sẽ hoạt động bởi công tắcRUN/STOP Lúc này đèn ở ESC_RUNNING sẽ tắt thể hiện rằng thang cuốn không hoạt động.
+ AUTO(chế độ tự động):lúc này thang cuốn sẽ hoạt động bởi hệ thống hoặc máy tính Lúc này đèn ở ESC_RUNNING sẽ sáng thể hiện rằng thang cuốn đang hoạt động.
+ START TIME(H): thời gian bắt đầu hoạt động tại giờ cao điểm của thang cuốn ở chế độ tự động.
+ CURRENT TIME(H): thời gian hoạt động hiện tại của thang cuốn
+ END TIME(H): thời gian kết thúc hoạt động tại giờ cao điểm của thang cuốn ở chế độ tự động.
- Khi thời gian hoạt động hiện tại của thang cuốn (CURRENT TIME) qua thời gian cao điểm, lúc này thang cuốn sẽ tạm ngưng và chỉ hoạt động khi có cảm biến (SENSOR) báo có người đi qua.Lúc này đèn báo ở cảm biến sẽ sáng thể hiện có người đi qua.
+ SENSOR: công tắc on/off thể hiện cho việc có người sử dụng thang cuốn Khi công tắc ON, đèn của SENSOR sẽ sáng Khi công tắc OFF, đèn của SENSOR sẽ tắt.
+ SET TIME(S): thời gian mà người điều khiển chỉnh để thang cuốn hoạt động khi có tín hiệu khi cảm biến SENSOR tắt
+ TIMER(S): lúc này timer sẽ bắt đầu đếm lùi thời gian từ SET TIME(S).
- Khi TIMER(S) dếm về 0, lúc này thang cuốn sẽ ngưng hoạt động Đèn báo của thang cuốn cũng sẽ tắt.
+ Đèn báo đêm (NIGHT) sẽ sáng khi thời gian hoạt động hiện tại của thang cuốn vào buổi tối.
Hình 2.3: Lưu đồ thang cuốn
Chương trình
Hình 2.4: Giao diện mạch thang cuốn
Hình 2.5: Sơ đồ ladder thang cuốn
Hình 2.6: Sơ đồ ladder thang cuốn
HỆ THỐNG ATS
Yêu cầu thiết kế
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lí hệ thống ATS
Hệ thống ATS (Automatic Transfer Switch) là một hệ thống chuyển đổi tự động giữa nguồn điện chính và nguồn điện dự phòng khi nguồn điện chính bị mất điện Hệ thống này bao gồm một bộ chuyển đổi tự động, một số cảm biến để phát hiện các trường hợp như mất pha, mất điện, đảo pha, và một bộ điều khiển PLC để điều khiển việc chuyển đổi nguồn điện Khi nguồn điện chính bị mất điện hoặc có vấn đề, hệ thống ATS sẽ tự động chuyển đổi sang nguồn điện dự phòng trong thời gian ngắn nhất để đảm bảo hệ thống được cung cấp điện liên tục và ổn định
Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.2: Sơ đồ mạch động lực
Hình 3.3: Sơ đồ nối dây
Sơ đồ nguyên lý điều khiển
3.3.1 Thiết kế lưu đồ điều khiển
Hình 3.4: Lưu đồ điều khiển
3.3.2 Giải thích nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của hệ thống ATS có 2 chế độ hoạt động:
- Trường hợp hoạt động ở chế độ manual (bằng tay): Để hoạt động ở chế động manual thì công tắc MAN/AUTO phải gạc qua vị trí MAN.
+ Khi bật công tắc SWCB1, điện được cấp cho cuộn dây CB1, contactor CB1 ở mạch động lực sẽ đóng cấp điện từ GIRD cho tải, thường đóng của CB1 ở phía nút nhấn CB2 sẽ mở ra Lúc này khi công tắc SWCB1 vẫn còn bật, mà bật công tắc SWCB2, thì thường đóng của công tắc SWCB2 ở phía SWCB1 mở ra, khi đó cuộn dây CB1 mất điện, contactor CB1 ngắt nguồn GIRD , ngừng cấp nguồn cho tải Lúc này để cấp nguồn cho tải phải bắt buộc tắt 1 trong 2 công tắc, tắt SWCB1 thì cấp nguồn GEN cho tải, tắt SWCB2 thì cấp nguồn GIRD cho tải.
+ Khi bật công tắc SWCB2 thì giống như bật SWCB1 nhưng ngược lại.
- Trường hợp hoạt động ở chế độ auto(tự động): Để hoạt động ở chế độ auto, thì công tắc MAIN/AUTO phải gạc qua vị trí AUTO.
+ PLC được thiết đặt thời gian mặc định ban đầu, khi cấp điện, các giá trị này được nạp vào bộ nhớ của PLC có địa chỉ D20( lưu trữ thời gian TS), D22( lưu trữ thời gian TCE), D24( lưu trữ thời gian TBS), D26( lưu trữ thời gian TCN) Các giá trị này được đem nhân cho 10 và lần lượt được đưa vào bộ nhớ có địa chỉ và H11, H12, H13, H14 làm giá trị đếm ngược cho Timer 4, Timer 5, Timer 6 và Timer 7(do Timer được sử dụng có độ chia là 100ms).
+ Giả sử tải đang được cấp nguồn từ GIRD, khi này GIRD xảy ra sự cố mất điện, cảm biến điện áp của GIRD sẽ gửi tín hiệu về PLC, PLC nhận được tín hiệu này, nếu nguồn điện phía GEN ổn định thì PLC sẽ kích hoạt timer 4 đếm, nếu trong
+ Sau khi nguồn GIRD đã ổn định trở lại thì PLC sẽ kích hoạt timer 6, sau khi timer 6 đếm hết thời gian TBS thì ngắt điện cho cuộn dây CB2, cuộn CB2 mất điện, cắt tải ra khỏi nguồn GEN Sau khi CB2 ngắt, PLC kích hoạt timer 7, sau khi timer 7 đếm hết thời gian thì cấp điện cho cuộn CB1, contactor CB1 đóng, cấp điện từ GIRD cho tải.
+ Nếu trường hợp ở cả 2 phía GIRD và GEN mất điện hoặc xảy ra sự cố như thấp áp, quá áp, thì mạch sẽ không tự động chuyển.
Xây dựng mô hình mô phỏng
3.4.1 Bảng mô tả các phần tử trong mạch
Bảng 3.1 Bảng mô tả các phần tử trong mạch
STT Mô tả Địa chỉ Ghi chú
2 SWCB1 W30.01 ON/OFF FOR CB1
3 SWCB2 W30.02 ON/OFF FOR CB2
4 RL1 0.01 VOTL SENSOR OF RL1
5 SL1 0.02 VOTL SENSOR OF SL1
6 TL1 0.03 VOTL SENSOR OF TL1
7 RL2 0.04 VOTL SENSOR OF RL2
8 SL2 0.05 VOTL SENSOR OF SL2
9 TL2 0.05 VOTL SENSOR OF TL2
Hình 3.5: Giao diện điều khiển
ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ
Khái niệm
Máy phát điện đông bộ là loại máy điện có tốc độ quay của rô to bằng tốc độ trường quay Hầu hết các máy điện hoạt động như máy phát tần số 50Hz hoặc60Hz Máy phát điện đồng bộ có thể hoạt động như động cơ đồng bộ công suất lớn.Máy điện còn được dùng làm máy bù đồng bộ nhằm cải thiện hệ số công suất của lưới điện trong một xí nghiệp hay nhà máy nào đó.
Lý do
- Sẵn sàng cung cấp điện: Tổ máy phát điện được tạo ra nhằm để đáp ứng kịp thời nhu cầu về điện cho người dùng Các vấn đề sự cố sẽ không quá nghiêm trọng Bởi vì đã có máy phát điện tự động khởi động cung cấp nguồn dự phòng.
- Loại bỏ những tổn thất: Dựa vào tổ máy phát điện dự phòng doanh nghiệp sẽ hạn chế phần nào những tổn thất về thời gian, năng suất do mất điện gây ra Nếu không có máy phát điện dự phòng chắc hẳn sẽ ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất.
- Có thể di chuyển đến nhiều nơi: Các tổ máy phát điện cho phép bạn cung cấp điện ở những khu vực khó khăn, thiếu mạng lưới điện Do đó có thể loại bỏ những trở ngại tiến hành các dự án và góp phần vào sự phát triển ở các vùng sâu, vùng xa hoặc vùng khó khăn.
- Bảo vệ thiết bị: Hậu quả của việc mất điện gây nên vượt ra ngoài vấn đề năng suất đơn thuần Việc mất điện đột ngột có thể gây ra những hư hỏng nghiêm trọng cho các thiết bị máy móc của chúng ta Đây là điều chúng ta có thể tránh được nếu có nguồn dự phòng hoạt động lâu dài, an toàn mang lại lợi ích lớn trong công việc.
Yêu cầu công nghệ và thiết kế
- Độ tin cậy cao: Máy phát đồng bộ phải có khả năng hoạt động ổn định trong mọi điều kiện, ngay cả trong trường hợp của mất điện từ lưới điện ngoại vi.
- Độ chính xác và đồng bộ hóa: Đặc tính chính của máy phát đồng bộ là đảm bảo
- Bảo vệ và kiểm soát: Phải có các cơ chế bảo vệ và kiểm soát tự động để ngăn chặn các vấn đề như quá tải, ngắn mạch và mất đồng bộ.
- Hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng: Máy phát đồng bộ cần được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất vận hành và tiết kiệm năng lượng.
- Dễ bảo trì và sửa chữa: Thiết kế cần tối ưu hóa để dễ dàng tiến hành bảo trì và sửa chữa khi cần thiết, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.
- Tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và môi trường: Phải đảm bảo rằng thiết kế tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và môi trường, bao gồm cả việc giảm tiếng ồn và khí thải.
- Tương thích và kết nối: Máy phát đồng bộ cần được thiết kế để dễ dàng tích hợp vào hệ thống điện tổng thể và tương thích với các thiết bị và giao thức giao tiếp khác.
Nguyên lý làm việc
Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng cơ sang năng lượng điện Máy phát điện thường sử dụng động cơ đốt trong hoặc động cơ diesel để tạo ra sự xoay tròn của rotor Rotor sẽ quay trong không gian được bao quanh bởi cuộn dây có trục trung tâm (stator).
Khi rotor quay, nó tạo ra một dòng điện xoay chiều (AC) trong cuộn dây của stator Sự thay đổi liên tục của chiều xoay của rotor sẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều với tần số và điện áp ổn định Điện áp và tần số này phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor và số cặp nam châm trên rotor. Để điều chỉnh điện áp và tần số, máy phát điện sử dụng bộ điều khiển điện áp (AVR) và bộ điều khiển tốc độ động cơ Bộ điều khiển điện áp giám sát và điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát điện bằng cách điều chỉnh lực đẩy từ nam châm trên rotor Bộ điều khiển tốc độ động cơ giám sát tốc độ quay của động cơ và điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát điện để giữ cho tần số đầu ra ổn định.
Hình 4.1:Mô hình điều khiển
Mô hình quản lý máy phát và mô hình toán
Công thức tính toán
Công suất máy phát được tính bằng công thức:
Vì Xgenlớn hơn nhiều so với Rgennên ta bỏ qua Rgen.
=> Từ công thức trên ta thấy các đại lượng V và trở X không đổi vì vậy để điều khiển công suất của máy phát ta điều khiển góc θ Tức là ta sẽ đi điều khiển góc kích từ Hay nói cách khác điều khiển máy phát là điều khiển góc kích từ.
Mô phỏng trên matlab
Hình 4.3: Sơ đồ mô phỏng trên matlab
Hình 4.4: Thông số máy điện
Máy điện hoạt động ở chế độ độc lập swing, với thông số S%0(kVA), fP(Hz),V@0(V), với tốc độ quay 1500 (vòng/phút).
Hình 4.5: Tần số và điện áp ngõ ra
Hình 4.6: Dạng sóng tần số
Hình 4.7: Dạng sóng điện áp
Hình 4.8: Dạng sóng công suất tác dụng
Hình 4.9: Dạng sóng công suất phản kháng
Nhận xét
+ Đồng bộ hóa độ chính xác cao: Máy phát đồng bộ có khả năng duy trì tần số và pha đúng đắn so với lưới điện, đảm bảo tính ổn định và an toàn của hệ thống điện. +Tính linh hoạt và điều chỉnh công suất: Có thể điều chỉnh công suất đầu ra của máy phát đồng bộ để đáp ứng nhu cầu thay đổi của hệ thống điện.
+Tính tin cậy cao: Máy phát đồng bộ thường được thiết kế để hoạt động liên tục trong thời gian dài mà không gặp sự cố, đảm bảo khả năng cung cấp điện ổn định cho các ứng dụng quan trọng.
+Bảo vệ hệ thống điện: Các máy phát đồng bộ thường có các chức năng bảo vệ tích hợp để ngăn chặn và giảm thiểu các vấn đề như quá tải, ngắn mạch và mất đồng bộ.
+Dễ bảo trì và sửa chữa: Thiết kế của máy phát đồng bộ thường được tối ưu hóa để dễ dàng tiến hành bảo trì và sửa chữa, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tăng khả năng hoạt động liên tục của hệ thống.
+ Chi phí cao: Máy phát đồng bộ thường có chi phí đầu tư và vận hành cao hơn so với các loại máy phát điện thông thường.
+ Cần kiểm soát và bảo trì định kỳ: Để đảm bảo hoạt động ổn định và tin cậy, máy phát đồng bộ cần phải được kiểm tra và bảo trì định kỳ, điều này đòi hỏi chi phí và công sức.
+ Khả năng ảnh hưởng đến môi trường: Một số loại máy phát đồng bộ có thể tạo ra tiếng ồn và khí thải gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt khi hoạt động trong môi trường đóng.
+ Phức tạp trong vận hành và cài đặt ban đầu: Việc cài đặt và vận hành máy phát đồng bộ đòi hỏi kiến thức chuyên môn và kỹ thuật cao, đôi khi cần sự hỗ trợ từ các
MẠCH MPPT SỬ DỤNG P&O
Tính cần thiết
Nhu cầu về năng lượng trong thời đại khoa học kỹ thuật không ngừng gia tăng Tuy nghiên các nguồn năng lượng truyền thống đang được khai thác như : than đá, dầu mỏ, khí đốt, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đang ngày càng cạn kiệt Không những thế chúng còn có tác hại xấu đối với môi trường như: gây ra ô nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, trái đất ấm dần lên, thủng tầng ozon Do đó, việc tìm ra và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là rất cần thiết.
Việc nghiên cứu năng lượng mặt trời ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhất là trong tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng năng lượng hiện nay Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, dồi dào, hoàn toàn miễn phí, không gây ô nhiễm môi trường và không gây ô nhiễm tiếng ồn Hiện nay, năng lượng mặt trời đã dần dần đi vào cuộc sống của con người, chúng được áp dụng khá rộng rãi trong dân dụng và trong công nghiệp dưới nhiều hình thức khác nhau .
Pin mặt trời có rất nhiều các ưu điểm ưu việt nhưng giá thành của tấm pin mặt trời còn đắt nên việc tăng hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của pin trở thành một vấn đề rất quan trọng Để tăng hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của pin thì cần phải để hệ thống pin năng lượng mặt trời hoạt động ổn định tại điểm có công suất cực đại.Bởi vì, điều kiện tự nhiên bao gồm bức xạ mặt trời và nhiệt độ lại luôn thay đổi nên điểm làm cho hệ thống có công suất cực đại cũng thay đổi theo Vì vậy, cần có một phương pháp nào đó để theo dõi được sự di chuyển của điểm có công suất cực đại và áp đặt cho hệ thống làm việc tại đó Do đó nên em đã chọn đề tài: “ Mạch tăng áp dò MPPT sử dụng P&O”.
Khái niệm MPPT và điểm công suất cực đại
Trong hệ thống pin mặt trời, nguồn một chiều ngõ vào này sẽ thay đổi tùy theo điều kiện thời tiết Do đặc tính phi tuyến của pin mặt trời, để thu được công suất cực đại cần phải có mạch biến đổi DC để dò điểm công suất cực đại MPPT (Maximum power point tracking) Khi điểm hoạt động tối đa được đạt được, hiệu suất của hệ thống điện mặt trời sẽ được tối ưu hóa và đầu ra của mạch boost sẽ được tăng lên đến mức cao nhất có thể đạt được.
5.2.2 Điểm công suất cực đại
Một tấm pin quang điện có thể hoạt động trong một dải điện áp và dòng điện rộng Nếu mắc một điện trở vào đầu ra của tấm pin với giá trị tăng từ 0Ω (xem như điều kiện ngắn mạch – dòng điện là tối đa) lên tới một giá trị rất lớn (tương đương mạch hở – dòng điện tối thiểu), điểm công suất cực đại có thể được xác định dựa vào đặc tuyến công suất theo dòng Điểm công suất cực đại là điểm hoạt động của tấm pin mà tại đó tích số giữa dòng điện và điện áp của tấm pin là lớn nhất trong toàn miền điện áp, trong điều kiện các yếu tố môi trường xác định Công suất đầu ra của tấm pin ở điều kiện ngắn mạch (SC – short circuit) hoặc hở mạch (OC – open circuit) được xem như bằng 0 W Hệ thống khai thác năng lượng từ các tấm pin quang điện bắt buộc phải đảm bảo rằng tấm pin luôn hoạt động ở điểm công suất cực đại, để hệ chuyển đổi năng lượng và tải tiêu thụ luôn thu được nhiều năng lượng nhất từ hệ quang điện.
Giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking), chịu trách nhiệm đảm bảo điều kiện này Độ gợn điện áp trong lúc hoạt động của tấm pin phải đủ nhỏ để giải thuật MPPT có thể dò đúng điểm công suất cực đại, nghĩa là tấm pin phải hoạt động với giá trị công suất trung bình tức thời dao động không quá nhiều xung quanh giá trị công suất cực đại thực sự của nó và các tác nhân gây nhiễu phải đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến tiến trình MPPT Các tác nhân gây nhiễu tiêu biểu bao gồm: độ gợn dòng điện, điện áp, hiện tượng ground loop, nhiễu điện từ từ mạch chuyển đổi điện áp DC-DC kiểu switching, và thậm chí là sai số lượng tử đến từ quá trình lấy mẫu/tính toán trong bộ điều khiển.
Hình 5.1:Đặc tính điểm công suất cực đại của một tấm pin
Giải thuật P & O (Perturbation and observation)
Phát điện bằng pin quang điện (PV) ngày càng trở nên quan trọng bởi vì nó được xem là nguồn năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm như không phát sinh chi phí nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, đòi hỏi bảo trì ít và không phát ra tiếng ồn so với các nguồn năng lượng khác.
Tuy nhiên, các module PV khi làm việc với tổng trở tải không thích hợp vẫn có hiệu suất chuyển đối thấp, do đó, dò tìm điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracker (MPPT)) cho PV là điều cần thiết trong một hệ thống PV. Lượng điện năng tạo ra phụ thuộc vào điện áp hoạt động của PV Trên đặc tuyến I(V) và P(V) của PV tồn tại duy nhất một điểm mà ở đó công suất phát của PV đạt cực đại (MPP), điểm MPP này thay đổi phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ môi trường Nhiệm vụ của bộ MPPT là tìm và duy trì chế độ làm việc hiệu quả nhất Vì vậy, nhiều phương pháp MPPT đã được nghiên cứu để xác định điểm làm việc tối ưu Với kỹ thuật MPPT dùng bảng tra trên máy tính nên gặp nhiều khó khăn về bộ nhớ trong bộ vi xử lý Giải quyết vấn đề này, một số nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm để chỉ ra quan hệ giữa điện áp làm việc tối ưu và điện áp hở mạch của PV nhưng chỉ áp dụng được một số loại PV nhất định vì quan hệ này phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, nhiệt độ môi trường.
Hiện nay các phương pháp MPPT sử dụng logic mờ hay mạng Noron cũng được chú trọng phát triển nhưng độ phức tạp cao Các giải thuật mới sử dụng kỹ thuật P&O (perturb and observe) đã khắc phục được nhược điểm nói trên.
Công suất của PV được xác định bằng tích số của hai giá trị I_sol và V_sol.
Bộ MPPT xác định giá trị điện áp V (hoặc độ rộng xung) nhằm điều khiển bộ biến đổi năng lượng DC-DC sao cho điện áp DC đặt lên tải thay đổi để thay đổi được công suất tiêu thụ phù hợp với công suất cực đại của PV.
Giải thuật P&O vốn dựa vào quan hệ V-P của PV, bên trái điểm cực đại (MPP) dP/dV > 0, trong khi ở bên phải điểm MPP, dP/dV < 0 Nếu điện áp vận hành của PV được đi theo hướng dP/dV > 0, điều này cho thấy PV đang đi đến điểm MPP, ngược lại nếu đi theo hướng dP/dV < 0, điểm làm việc đã đi qua điểm MPP, khi đó giải thuật P&O sẽ đảo chiều.
Hình 5.2: Độ dốc dP/dV của PV
Hình 5.3:Lưu đồ giải thuật P&O
Đặc tính của tấm pin quang điện
Đặc tính của dàn pin gồm 18 tấm của hãng SunPower với 3 nhánh song song,mỗi nhánh có 6 tấm ghép nối tiếp Mỗi tấm pin có công suất 305.226Wp (Watt peak) như hình 5.3 Các đặc tính của dàn pin với các mức bức xạ tại nhiệt độ 25 o C cũng được thể hiện trên hình 5.2 Do đó, dàn pin với bức xạ 1000W/m 2 và 25ᵒC sẽ cho tổng công suất 5494 Wp tại điểm MPPT có điện áp 328.2V Khi bức xạ giảm còn 200W/m 2 , tổng công suất của dàn pin giảm còn 1056Wp tại điện áp 315.7V.
Hình 5.4: Các đặc tính của dàn pin
Hình 5.5:Thông số của dàn pin
Xây dựng mô hình mô phỏng
Hình 5.6:Mô hình mô phỏng trong Matlab mạch tăng áp dò MPPT sử dụng P&O
Pin mặt trời: Cung cấp nguồn điện ngõ vào, nguồn một chiều này sẽ thay đổi theo điều kiện thời tiết.
Hình 5.7: Mô hình mô phỏng hệ thống dàn pin mặt trời
Bộ tăng áp DC-DC (Boost): Chuyển đổi năng lượng điện tín hiệu nhỏ ở đầu vào thành năng lượng điện tín hiệu lớn ở đầu ra để đáp ứng nhu cầu tải Tín hiệu xung được lấy sau khi mạch MPPT hoạt động để từ đó tăng hay giảm độ rộng xung kích để công suất ngõ ra được duy trì.
Hình 5.8: Mô hình mô phỏng bộ tăng áp DC-DC
Trong sơ đồ sử dụng mạch tăng áp ở hình 5.4, muốn thu được công suất ở mức thấp nhất là 1056W từ dàn pin tương ứng với bức xạ 200W/m 2 , điện áp ngõ ra khi đó phải lớn hơn 315.7V.
=>� 0 ≥� ��� = 315.7V Giả sử bỏ qua sụt áp trên linh kiện, điện trở tải khi đó cần ở mức tối thiểu và được xác định như sau:
1056 = 94.38 Ω Trong trường hợp sử dụng mạch giảm áp, điện áp ngõ ra của bộ biến đổi ở điều kiện bức xạ cao nhất phải nhỏ hơn điện áp dàn pin tại điểm MPPT Tức là điện áp ngõ ra mạch giảm áp phải nhỏ hơn 328.2V với mức công suất 5494Wp Vì vậy, điện trở tải phải nhỏ hơn giá trị giới hạn như sau:
Hình 5.9: Khối điều khiển MPPT bằng P&O và khối quan sát dạng sóng
- Dựa vào lưu đồ của giải thuật MPPT P&O để viết chương trình cho MPPT
Nếu DeP dương và DeV dương thì độ rộng xung hiện tại giảm đi một lượng bằng DelD và ngược lại DeV mà âm thì độ rộng xung hiện tại tăng một lượng bằng DelD Nếu DeP âm và DeV dương thì độ rộng xung hiện tại tăng lên một lượng bằng DelD và ngược lại DeV mà âm thì độ rộng xung hiện tại giảm một lượng bằng DelD.
Giải thuật P&O được cụ thể hóa với code ở hình 5.6 Trong đó, đại lượng
Do là độ rộng xung kích được đưa ra để so sánh với sóng tam giác nhằm tạo xung kích cho IGBT Trong giải thuật MPPT, để tăng điện áp làm việc của dàn pin, giải thuật cần phải giảm độ rộng xung thông qua đại lượng DelD, với DelD là số gia độ rộng xung Trái lại, khi sử dụng cho mạch giảm áp, có thể tăng điện áp làm việc bằng cách tăng độ rộng xung kích Trong thực tế, các đại lượng dòng và áp được sơ đồ của hình 5.8 đã sử dụng khối gọi hàm Function call của Matlab với chu kỳ lấy mẫu bằng 1e-4s.
Từ dòng điện và điện áp của pin mặt trời khối function MPPT P&O sẽ tính toán và đưa ra chỉ số D(duty circle) để đóng mở IGBT, và D được giới hạn trong khoảng 0-0.8 vì nếu D quá lớn sẽ ảnh hưởng tới mạch như các vấn đề: tổn thất công suất lớn, các linh kiện dễ bị hỏng, nhiệt độ cao,… do thời gian đóng mạch quá lớn Chỉ số D sẽ tới khối điều chế xung PWM để kích đóng mở cho IGBT
Hình 5.11: Thông số cài đặt bức xạ cho dàn pin
Kết quả - nhận xét
Hình 5.12: Đáp ứng của điện áp, dòng điện dàn pin và độ rộng xung kích
Hình 5.13: Đáp ứng điện áp, dòng điện và công suất thu được trên tải
+ Có thể phát hiện điện áp DC và dòng đầu ra của mạch chính, công suất đầu ra của mảng năng lượng mặt trời có thể được tính bằng MPPT.
+ Hầu như tất cả các ứng dụng liên quan đến năng lượng mặt trời đều có thể được cải thiện bởi MPPT vì có thể giúp tạo ra công suất đầu ra tốt hơn và sẽ có được nhiều lợi thế hơn khi điện áp hoạt động của mô-đun cao.
+ Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời MPPT cũng có thể được sử dụng trong các ngành công nghiệp như tuabin mini và tuabin gió,…
+ MPPT sẽ đơn giản hóa hệ thống và cải thiện hiệu quả đầu ra.
+ Dao động: Mạch P&O có thể dao động xung quanh điểm MPP, dẫn đến tổn thất công suất nhỏ.
+ Tốc độ: Tốc độ theo dõi MPP của mạch P&O có thể chậm so với một số phương
+ Nhìn chung, mạch tăng áp dò MPP sử dụng phương pháp P&O là một giải pháp hiệu quả, đơn giản và đáng tin cậy để thu được tối đa công suất từ mảng PV Tuy nhiên, cần lưu ý đến một số nhược điểm của nó, chẳng hạn như dao động và tốc độ.
Ngoài ra, một số nhận xét khác về mạch tăng áp dò MPP sử dụng phương pháp P&O:
+ Mạch P&O có thể được kết hợp với các thuật toán tối ưu hóa khác để cải thiện hiệu suất hơn nữa.
+ Việc sử dụng các linh kiện điện tử có hiệu suất cao có thể giúp giảm tổn thất công suất trong mạch P&O.
+ Cần lựa chọn cẩn thận kích thước bước nhiễu loạn để đảm bảo hiệu suất và độ ổn định của mạch P&O.
Tóm lại, mạch tăng áp dò MPP sử dụng phương pháp P&O là một lựa chọn tốt cho các hệ thống PV quy mô nhỏ và vừa.
NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI 1 PHA
Giới thiệu
Hiện nay, sự gia tăng giá nhiên liệu và các hạn chế nhằm giảm ô nhiễm môi trường đã mang lại nhiều cơ hội cho việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo.Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, điện mặt trời hiện nay rất phổ biến Tuy nhiên nguồn năng lượng này không ổn định do phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời tiết, Để có được nguồn năng lượng ổn định, những nguồn điện tái tạo phải nối lưới điện thông qua các bộ nghịch lưu nối lưới để có điện áp ổn định khi hòa vào lưới 1 trong phần đó là điều khiển của bộ biến đổi nghịch lưu nối lưới 1 pha.Đây là một nội dung quan trọng, việc điều khiển để quá trình trao đổi năng lượng diễn ra ổn định và tin cậy sẽ quyết định đến độ ổn định toàn hệ thống Các kết quả thiết kế và mô phỏngđược thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink.
Khái niệm
Bộ nghịch lưu là bộ chuyển đổi từ nguồn điện một chiều sang nguồn điện xoay chiều có tần số phù hợp với phụ tải yêu cầu cụ thể Nghịch lưu được ứng dụng phổ biến trong các bộ điều khiển động cơ điện, các thiết bị UPS, các bộ biến đổi nối lưới, v.v Trong phần này chủ yếu trình bày nguyên lý điều khiển nghịch lưu 1 pha với ngõ ra có tần số cố định 50Hz Tuy nhiên, việc điều chỉnh tần số cũng có thể cài đặt tùy vào yêu cầu cụ thể.
Lý do chọn mạch
- Tiện lợi trong lắp đặt: Mạch nghịch lưu nối lưới 1 pha thường đơn giản và dễ lắp đặt hơn so với các mạch nối lưới 3 pha Điều này giúp giảm chi phí và thời gian cần thiết cho việc triển khai hệ thống.
- Phù hợp với hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ: Đa số hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ chỉ cần một pha điện để vận hành, nên mạch nghịch lưu 1 pha đáp ứng đủ nhu cầu của họ mà không cần phải sử dụng mạch 3 pha.
- Tính linh hoạt: Mạch nghịch lưu 1 pha cho phép linh hoạt trong việc kết nối với lưới điện công cộng và lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo khác nhau như gió hoặc nước.
- Đáp ứng yêu cầu kỹ thuật: Trong một số trường hợp, đặc biệt là khi không gian hoặc nguồn cung cấp điện có hạn, mạch nghịch lưu 1 pha có thể là lựa chọn phù hợp nhất để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể.
Yêu cầu thiết kế
Khi thiết kế mạch nghịch lưu nối lưới 1 pha, có một số yêu cầu cần được xem xét để đảm bảo tính an toàn, đáng tin cậy và hiệu quả của hệ thống Dưới đây là một số yêu cầu cơ bản:
- Bảo vệ và an toàn: Mạch nghịch lưu cần được thiết kế với các thiết bị bảo vệ phù hợp để ngăn chặn các tình huống nguy hiểm như quá tải, ngắn mạch, và biến đổi điện áp không mong muốn Điều này bao gồm việc sử dụng bộ điều khiển, bộ chuyển đổi, và các thiết bị bảo vệ như cầu chì, cầu dao, và bảo vệ quá dòng.
- Đồng bộ hóa: Đảm bảo rằng các máy phát điện có khả năng đồng bộ hóa với nhau và với lưới điện công cộng khi chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động Điều này giúp tránh các tình huống không đồng bộ có thể gây ra các vấn đề lớn cho hệ thống.
- Tính linh hoạt: Mạch nghịch lưu cần được thiết kế để có khả năng thích ứng và phản ứng nhanh chóng với các biến đổi trong điều kiện vận hành, bao gồm sự cố và tải điện thay đổi.
- Hiệu suất và tối ưu hóa năng lượng: Thiết kế cần tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động.
- Đáp ứng tiêu chuẩn và quy định: Mạch nghịch lưu cần tuân thủ các tiêu chuẩn và quy định an toàn và vận hành của ngành công nghiệp điện lực.
- Kiểm soát và giám sát: Cung cấp hệ thống kiểm soát và giám sát để theo dõi hiệu suất và trạng thái của mạch nghịch lưu, bao gồm cả việc ghi nhận các dữ liệu về hoạt động và sự cố.
Tổng quan, việc thiết kế mạch nghịch lưu nối lưới 1 pha đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng đến các yếu tố an toàn, hiệu suất và đáng tin cậy của hệ thống để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả trong mọi điều kiện.
Chức năng
Mạch nghịch lưu nối lưới 1 pha có các chức năng sau:
- Chuyển đổi năng lượng: Mạch nghịch lưu có khả năng chuyển đổi năng lượng từ các nguồn tạo ra điện như hệ thống điện mặt trời, gió, hoặc từ các nguồn lưu trữ năng lượng như pin lưu trữ về lưới điện công cộng.
- Kết nối với lưới điện công cộng: Mạch này cho phép kết nối với lưới điện công cộng, cho phép trao đổi năng lượng giữa hệ thống tạo điện và lưới điện công cộng. Khi sản lượng điện từ hệ thống tạo điện vượt quá nhu cầu sử dụng tại chỗ, dư thừa có thể được đưa vào lưới điện và được trả tiền bằng cách bán điện.
- Quản lý công suất đầu ra: Mạch nghịch lưu nối lưới có thể điều chỉnh công suất đầu ra theo yêu cầu của hệ thống hoặc lưới điện, giúp duy trì ổn định hệ thống và ngăn ngừa sự cố.
- Theo dõi và điều khiển từ xa: Một số mạch nghịch lưu 1 pha được thiết kế với tính năng theo dõi và điều khiển từ xa thông qua các ứng dụng hoặc giao diện trực tuyến Điều này cho phép người dùng kiểm soát hoạt động của hệ thống và theo dõi hiệu suất từ xa.
- An toàn và bảo vệ: Mạch nghịch lưu thường được trang bị các tính năng an toàn và bảo vệ như cách ly điện, bảo vệ quá tải, và bảo vệ quá áp, giúp đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho hệ thống và người sử dụng.
- Hiệu suất cao: Mạch nghịch lưu thường được thiết kế để có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, giúp tối ưu hóa sản lượng và tiết kiệm năng lượng.
Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu dựa trên việc sử dụng các thành Ứng dụng phổ biến của mạch nghịch lưu bao gồm việc chuyển đổi từ dòng điện một chiều (DC) sang dòng điện xoay chiều (AC) trong các ứng dụng như bộ biến áp và bộ chuyển đổi điện áp Mạch nghịch lưu cũng được sử dụng trong các thiết bị điện tử như bộ sạc pin và nguồn điện dự phòng để bảo vệ pin khỏi bị xả ngược khi không sử dụng.
Nghịch lưu nối lưới (Grid-tie inverter) là một thiết bị quan trọng trong hệ thống điện mặt trời hoặc các nguồn năng lượng tái tạo khác, cho phép kết nối hệ thống sản xuất điện của bạn với lưới điện công cộng.
Các đặc điểm chính của nghịch lưu nối lưới bao gồm:
- Chuyển đổi DC thành AC: Nghịch lưu nối lưới chuyển đổi điện năng DC được sản xuất bởi tấm pin mặt trời hoặc các nguồn năng lượng tái tạo khác thành điện năng AC tương thích với lưới điện công cộng.
- Đồng bộ với lưới điện: Nó cung cấp điện năng sản xuất bởi hệ thống điện của bạn vào lưới điện công cộng, đồng bộ hóa với tần số và điện áp của lưới để đảm bảo rằng điện năng được chuyển đưa vào lưới một cách an toàn và hiệu quả.
- Điều khiển MPPT: Một số nghịch lưu nối lưới cũng tích hợp chức năng điều khiển điểm công suất tối đa (MPPT) để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện mặt trời trong các điều kiện ánh sáng thay đổi.
- Bảo vệ và theo dõi: Nó cũng cung cấp các tính năng bảo vệ và theo dõi hiệu suất của hệ thống, bao gồm bảo vệ quá dòng, quá áp và quá nhiệt, cũng như cung cấp dữ liệu theo dõi hiệu suất qua thời gian.
Việc sử dụng nghịch lưu nối lưới giúp tối ưu hóa khả năng sử dụng điện năng tái tạo và giảm thiểu sự lãng phí năng lượng bằng cách chuyển đưa điện năng dư thừa vào lưới điện công cộng, đồng thời cung cấp một nguồn thu nhập bổ sung thông qua việc bán điện trở lại cho nhà cung cấp điện.
Mô phỏng trên Matlab và mô tả các khối liên quan
Hình 6.1(b)Hình 6.1: Sơ đồ mô phỏng trên Matlap (a),(b)
Hình 6.2: Sơ đồ khối mạch nghịch lưu cầu
Hình 6.4: hình ảnh mạch lọc
Hình 6.5: Hình sơ đồ tính dòng đặt
Hình 6.6: Hình ảnh điều khiển cộng hưởng tỉ lệ PR
Hình 6.7: Hình ảnh khâu điều chế
Kết quả mô phỏng và nhận xét
Hình 6.8: Dạng sóng dòng điện Ig
Hình 6.9: Dạng sóng điện áp Vg
Hình 6.10: Dạng sóng công suất phát lên lưới
- Tiết kiệm chi phí ban đầu: Mạch nghịch lưu nối lưới 1 pha thường có chi phí ban đầu thấp hơn so với các mạch nối lưới 3 pha, bởi vì chúng đơn giản hơn và dễ lắp đặt hơn.
- Phù hợp với hầu hết các ứng dụng: Đa số hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ chỉ cần một pha điện để vận hành, nên mạch nghịch lưu nối lưới 1 pha phù hợp với hầu hết các ứng dụng.
- Dễ dàng lắp đặt và vận hành: Mạch này thường đơn giản và dễ lắp đặt hơn so với các mạch nối lưới 3 pha, giảm thiểu chi phí và thời gian triển khai.
Tính linh hoạt cao: Mạch nghịch lưu 1 pha có thể linh hoạt kết nối với lưới điện công cộng và các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau như gió hoặc nước.
- Hạn chế về công suất: Mạch nghịch lưu 1 pha thường có hạn chế về công suất so với các mạch nối lưới 3 pha Điều này có thể gây khó khăn trong việc áp dụng cho các hệ thống có nhu cầu công suất lớn.
- Khả năng linh hoạt hạn chế: Mạch này không đáp ứng được một số yêu cầu kỹ thuật phức tạp hoặc đặc biệt trong một số ứng dụng công nghiệp.
- Phụ thuộc vào điều kiện môi trường: Hiệu suất của mạch nghịch lưu 1 pha có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và nguồn sáng mặt trời, điều này có thể làm giảm hiệu suất hoạt động của hệ thống.
