thiết kế nguồn điện năng lượng mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp p&o (perturb and observe)

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÓ BỘ

TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI THEO PHƯƠNG PHÁP P&O (Perturb and Observe)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN 2014

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học và thực tiễn trên thế giới đã chỉ ra những nhược điểm rõ ràng của các nguồn điện truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân đã có những tác động rất xấu đến môi trường, cuộc sống con người và sẽ không thể cung cấp đủ nhu cầu trong tương lai không xa

Một trong những biện pháp đang được quan tâm nhất hiện nay là sử dụng các dạng năng lượng tái tạo nhằm đáp ứng trực tiếp cho các phụ tải hay giúp phân bố lại công suất truyền tải trong lưới phân phối Qua đó, giúp giảm việc xây mới các nhà máy điện quy mô lớn, tăng hiệu quả vận hành cho toàn hệ thống điện

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời (Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn… Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường để cấp nhiệt và điện

Với ưu điểm không phát ra tiếng ồn, dễ chế tạo tấm pin mặt trời PV (Photovotaic), không đòi hỏi khắt khe về điều kiện lắp đặt (có thể đặt trực tiếp trên công trình) nên việc khai thác năng lượng từ PV đang được rất nhiều các Nhà khoa học, các quốc gia trên thế giới quan tâm, đầu tư để đạt được hiệu quả tối đa Tuy nhiên, năng lượng phát ra được từ tấm pin mặt trời lại phụ thuộc hoàn toàn vào thời điểm có bức xạ mặt trời

Phương pháp khai thác điểm làm việc cực đại của PV đã được nhiều các nhà khoa học đề xuất: phương pháp P&O (Perturb and Observe), phương pháp sử dụng mô hình của mạng nơron, giảm bậc Trong đó phương pháp P&O có xét

đến các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ sáng Vì vậy, sau hai năm học

tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS Ngô Đức Minh

em đã lựa chọn đề tài là “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O (Perturb and Observe)”

Luận văntrình bày bao quát cả một hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với đầy đủ các thành phần cần thiết trong hệ Sau đó Luận văntập trung nghiên cứu sâu hơn vào nguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, bộ DC/DC, phương pháp và thuật toán điều khiển MPPT để thấy rõ đặc tính làm việc của pin thay đổi dưới tác động của nhiệt độ thời tiết và so sánh nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm, khả năng ứng dụng của các thuật toán điều khiển MPPT nhằm để hệ pin mặt trời được làm việc tối ưu nhất

Luận văn gồm có 4 chương với nội dung tổng quan như sau:

Chương 1 Tổng quan về năng lượng mới và tái tạo

Chương 2 Mạng điện khai thác năng lượng từ pin mặt trời

Chương 3 Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại

Chương 4 Thiết kế hệ thống có khai thác năng lượng từ tấm pin mặt trời Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã củng cố được những kiến thức

đã được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh nghiệm mới về pin mặt trời Trên tất cả là em đã được học và rèn luyện được phương pháp làm việc, nghiên cứu một cách chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháp làm việc theo nhóm Quá trình làm Luận vănthực sự đã rất có ích cho em

về nhiều mặt Tuy nhiên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và người đọc

E xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS Ngô Đức Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để em hoàn thành bản luận văn này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

1.1 Các dạng năng lượng mới và tái tạo

Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những

nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản

của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy

trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng

kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người Các quy trình này luôn tuân

theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng

lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt

trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong thời gian (vòng

đời) ngắn và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong năng, thủy điện

nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các quy trình còn diễn

tiến trong một thời gian dài trên Trái đất

Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau:

Hình 1 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006

Trong đó:

770 GW Thủy điện lớn 235GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời điện nhiệt

74 GW NL Gió 73 GW Thủy điện nhỏ 45 GW NL Sinh khối điện

39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL Địa nhiệt 0,3-0,4 GW Pin Mặt trời Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu

và đang dần cạn kiệt Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các công nghệ

sử dụng NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại

và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới

Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành tựu đáng kể Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục Việc khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn Trước mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó là mô hình tất yếu của một tương lai gần

Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả Ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt, khí Mêtan hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến các dạng năng lượng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa nhiệt và năng thủy triều sóng biển

1.2 Năng lƣợng Mặt trời

1.2.1 Sự hình thành năng lƣợng Mặt trời

Năng lượng Mặt trời thu được trên Trái đất là năng lượng của dòng bức

xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu

0C Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoan học là khoảng 5 tỷ năm nữa Như vậy năng lượng Mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2

, đó chính là là nguồn gốc của mọi sự sống trên Trái đất Khi xuyên qua khí quyển của Trái đất một phần năng lượng Mặt trời bị hấp thụ Kết quả tính toán cho thấy năng lượng Mặt trời phân bố trên bề mặt Trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ Mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu

Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt trời (BXMT) thành điện năng, như pin Mặt trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa Mặt trời, V.V Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, V.V

1.2.2 Tiềm năng năng lƣợng Mặt trời

- Tiềm năng trên Thế giới:

Tiềm năng về năng lượng Mặt trời của các nước trên Thế giới là rất lớn Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc

điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên Thế giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm

Bảng 1 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời

Khu vực

Bức xạ Mặt trời [1000 TWh]

Chỉ số chất lượng trung bình DNI [kWh/tháng/năm]

Công suất có thể khai thác [1000 TWh/năm]

- Tiềm năng ở Việt Nam:

Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn NLTT vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng Mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ Mặt trời tương đối cao Trong

đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An,

Hà Tĩnh)…

Năng lượng Mặt trời có nhiều ưu điểm như: Có tự nhiên, sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, thân thiện với con người nói riêng cũng như vạn vật xung quanh… Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng từ pin Mặt trời (PV) sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế dần những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt

Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ và tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn Góp phần đảm

bảo cho cân băng năng lượng bền vững Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng Mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển xứng với kỳ vọng

Bảng 1 2: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam

trong năm

Bức xạ kcal/cm2/năm

Khả năng ứng dụng

1.2.3 Công nghệ sử dụng năng lƣợng Mặt trời

Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dưới dạng sóng bức xạ, năng lượng sóng phụ thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt đến Trái đất Muốn khai thác năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lượng của các sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều công nghệ khai thác khác nhau dựa trên các nguyên tắc chủ yếu sau:

- BXMT - điện năng – phụ tải điện

- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt

- BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện

Năng lượng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau tùy theo mục đích người sử dụng Đối với ngành hệ thống điện, chỉ tập trung nghiên cứu đến khả năng chuyển hóa BXMT- điện năng- phụ tải điện dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng quang điện trong thiết bị pin quang điện hay thường gọi là pin Mặt trời, tiếng anh là Photo Voltaics (viết tắt là PV )

1.3 Năng lƣợng gió

1.3.1 Sự hình thành năng lƣợng gió

Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực Do đó, hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch chuyển của các khối không khí tạo thành gió Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo một trục nghiêng 2305 so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung quanh Mặt trời Điều này là nguyên nhân hình thành các quy luật thay đổi về thời tiết, khí hậu theo mùa Hình 1.2 minh họa cho sự hình thành gió

Hình 1 2 Sự hình thành gió

Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại Như vậy, năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái đất

1.3.2 Tiềm năng gió

Năng lượng gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong khoảng 10 năm gần đây Biểu đồ trên hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới

Hình 1 3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới

Các turbine gió hiện đại bắt đầu được sản xuất từ năm 1979 ở Đan Mạch với công suất từ 200-300 kW Từ năm 2000 đến 2006 công suất các turbine gió tăng nhiều lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2 MW, lớn có thể đến 5 MW Ngày nay, tổng công suất turbine gió trên Thế giới ước tính đạt 93.849 MW, trong đó châu Âu chiếm tới 65% Đan Mạch là nước sử dụng năng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lượng điện quốc gia

Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng điện gió chiếm 1% tổng điện năng Ấn Độ đứng thứ tư trên Thế giới về năng lượng gió với 8.000 MW, công suất đặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng điện

- Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam:

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 80

đến 230 vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông Bắc và gió Tây Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5- 6 m/s (ở độ cao 10-12m) Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6- 8 m/s Như vậy tuy

không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc Âu ở cùng độ cao nhưng cũng đủ lớn

để sử dụng động cơ gió có hiệu quả

Trên thực tế vận tốc gió được đo ở độ cao 10-12m Các động cơ gió công suất lớn đến 1000 kW thường được lắp trên độ cao 50- 60m Các dữ liệu vận tốc gió ở độ cao này chưa có, một số đơn vị đã tiến hành đo gió ở độ cao 50-60 m tại một số điểm Các số liệu đo gió ở độ cao trên đã xác định được vận tốc gió thông qua công thức gần đúng sau:

Trong đó: + V: Vận tốc gió cần tìm trên độ cao h

+ V1: Vận tốc gió đo được ở độ cao h1 Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua số liệu về gió của Tổng Cục Khí tượng Thủy văn theo bảng 1.3

Bảng 1 3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 đến 2004

1.3.3 Công nghệ sử dụng năng lƣợng gió

Như vậy gió là dòng chuyển dời của khối không khí mang năng lượng mà các thiết bị thu chủ yếu nhận được dưới dạng động năng Từ cổ xưa đến nay đã hình thành nhiều công nghệ khai thác năng lượng gió (NLG):

- NLG – chuyển động tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lượn

- NLG – chuyển động quay – Máy xay gió

- NLG – chuyển động quay – Máy phát điện

Đối với ngành Mạng, thiết bị và nhà mát điện, chủ yếu quan tâm về công

nghệ khai thác năng lượng gió như sau: NLG – chuyển động quay – Máy phát

điện Đặc của công nghệ này gồm:

- Turbine gió: Công suất P của turbine gió phụ thuộc vào sải cánh của

rôto, vào tỷ trọng không khí và tốc độ gió và cho bằng công thức:

3 2

2

1

v r

P 

(1.2)

- Máy phát điện sức gió: Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ

học thành năng lượng điện Có nhiều thiết kế hệ thống máy phát điện chạy bằng

sức gió đã được ứng dụng phổ biến như: Máy phát điện một chiều, máy phát

điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu, máy phát điện dị bộ nguồn kép,

V.V…Ví dụ, các máy phát được áp dụng trong một số mô hình khai thác trên

hình 1.4a,b

Hình 1 4 : a) Sơ đồ máy phát điện sức gió;

b) Sơ đồ nối lưới của máy phát nối lưới không đồng bộ nguồn kép

1.4 Thủy điện nhỏ

1.4.1 Khái niệm chung về thủy điện nhỏ

Thủy điện nhỏ được hiểu một cách không thống nhất Đa số các nước

phân loại thủy điện nhỏ có công suất dưới 10 MW, tuy nhiên Canađa phân loại

thủy điện nhỏ có công suất dưới 20 MW, Hoa Kỳ dưới 30 MW Trong loại thủy

điện nhỏ, thủy điện mini có công suất dưới 500 kW, micro dưới 100 kW, trạm

a) b)

pico có công suất dưới 5 kW Trung Quốc là nước đứng đầu Thế giới về khai thác thủy điện nhỏ

Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú

ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường

1.4.2 Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam

Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, cao nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều Hàng năm mạng lưới sông suối vận chuyển ra biển hơn 870 tỷ m3

nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng 37.500 m3/giây Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng

Vì vậy, cùng với việc tiếp tục triển khai xây dựng các nhà máy thủy điện

có công suất lớn do Tập đoàn Ðiện lực Việt Nam làm chủ đầu tư, như Sơn La công suất 2.400MW, Tuyên Quang 342 MW, Bản Vẽ 320MW, Ðại Ninh 300MW, nhiều doanh nghiệp trong và ngoài ngành điện cũng mạnh dạn tự đầu

tư xây dựng các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ, với gần 300 dự án có tổng công suất lắp máy khoảng 2.500 MW đến 3.000 MW, tương ứng với lượng điện hàng năm khoảng 10 tỷ kWh

Ði đầu trong việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ là Tổng công ty Sông

Ðà Với thế mạnh của một tổng công ty đã tham gia xây dựng nhiều công trình thủy điện trọng điểm của quốc gia như: Thác Bà, Hòa Bình, Trị An, YaLy Bằng kinh nghiệm của mình, Tổng công ty đang từng bước tự khẳng định là nhà đầu tư lớn các dự án năng lượng điện, với việc tự đầu tư nhiều công trình thủy điện có công suất từ vài MW đến hàng trăm MW Bên cạnh các dự án thủy điện

đã hoàn thành như thủy điện Sê San 3A (108 MW), Cần Ðơn (77,6 MW), Nậm

Mu (12 MW), Nà Lơi (9,3 MW) Tổng công ty đang thực hiện nhiều dự án thủy điện vừa và nhỏ ở miền trung và Tây Nguyên với tổng công suất hơn 40 MW

1.4.3 Công nghệ thủy điện nhỏ

Đối với các nhà máy thủy điện lớn, thủy năng (TN) được tập trung trên những dòng chảy (sông) lớn Trong khi đó, thủy điện nhỏ lại khai thác từ nhiều dạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối

- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nước

- TN – Cơ năng – Máy phát điện

Các trạm thủy điện nhỏ không có yêu cầu cao về công trình thủy công như đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng điều tiết mức nước Nước từ thượng lưu qua kênh dẫn hoặc đường ống tới hệ thống turbine-máy phát điện, biến đổi thủy năng thành điện năng Các trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini) có thể không có đập chắn mà lợi dụng những dòng kênh thủy lợi

Đối với một dòng chảy có lưu lượng Q (m3

Bảng 1 4: Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước

Công suất P (W) Chiều cao H (m) Lưu lượng Q (l/s)

1.5.1 Sự hình thành năng lƣợng địa nhiệt

Nhiệt năng của Trái đất hay còn gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái đất có được từ các phản ứng hạt nhân âm ỉ dưới lòng đất Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái đất, gây ra hiện tượng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái đất sẽ tắt dần

và nhiệt độ lòng Trái đất trong quá trình nguội dần hình thành các vùng nhiệt dư phân tán ở nhiều nơi trong kiến tạo của vỏ Trái đất, Mỗi vùng có đặc điểm về cấu trúc vật chất và quá trình nhiệt có hầu như không giống nhau

Địa nhiệt có thể được xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy

mô vừa và lớn trong các lĩnh vực như:

- Nhà máy điện địa nhiệt

- Trung tâm địa nhiệt

1.5.2 Tiềm năng của năng lƣợng địa nhiệt

- Tiềm năng địa nhiệt trên Thế giới:

Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên Thế giới được xây dựng từ năm 1904

ở Italia Nhà máy địa nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ được xây dựng từ năm 1922 cung cấp nhiệt và điện cho khu nghỉ mát Nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất Thế giới The Geysers của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW được xây dựng từ năm 1960 Điện lực Bắc California có các nhà máy điện địa nhiệt có tổng công suất 740

MW Hoa Kỳ là nước khai thác địa nhiệt hàng đầu Thế giới Năm 2005 Hoa Kỳ

đã hợp đồng xây dựng các nhà máy địa nhiệt tổng công suất 500 MW cho 11 nước Mehicô là nước khai thác địa nhiệt thứ ba trên Thế giới, năm 2007 đã lắp đặt 959 MW Chiếm 3,24% điện năng toàn quốc Iceland cũng là nước có tiềm năng địa nhiệt lớn, điện địa nhiệt chiếm 19,1% và 87% nhiệt năng Nguồn địa nhiệt của Philipin đảm bảo 17,5% điện năng Tiềm năng địa nhiệt Thế giới khoảng 100 GW và đã được sử dụng vì mục đích thương mại trên 70 nước Năng lượng địa nhiệt đã cung cấp 1% nhu cầu năng lượng của Thế giới

- Tiềm năng địa nhiệt ở Việt Nam

Việt Nam có nguồn địa nhiệt phong phú, cả nước có hơn 300 nguồn nước khoáng nóng có nhiệt độ bề mặt lên tới 1050C Miền Bắc đã phát hiện và đăng

ký 119 nguồn hầu hết là nguồn nước nóng Theo tính toán sơ bộ năng lượng địa nhiệt của các tỉnh phía Bắc có thể dùng để phát điện bước đầu với công suất 100

MW Bắc Trung Bộ cũng là vùng có nhiều triển vọng địa nhiệt có thể khai thác công nghiệp phát điện từ 40 MW đến 60 MW tương đương với Nam Trung Bộ Gần đây với sự hợp tác của công ty ORMAT Hoa Kỳ các chuyên gia địa chất đã đánh giá địa hóa học trên 60 nguồn nước nóng và đã chọn 6 địa điểm thuộc các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa và Bà Rịa-Vũng Tàu có khả năng phát triển các nhà máy điện địa nhiệt với tổng công suất 200 MW Đặc điểm về nhiệt

độ địa nhiệt của các địa điểm được cho trong bảng 1.5

Bảng 1 5 Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam

1.5.3 Công nghệ khai thác địa nhiệt

Có hai loại nguồn địa nhiệt:

- Các nguồn thủy nhiệt (nước nóng) là nguồn tương đối nông từ vài trăm mét tới 3000 m Chúng chứa nước nóng, hơi nước hoặc hỗn hợp, được khai thác

cho mục đích địa nhiệt thương mại du lịch và sấy sưởi,V.V Các nguồn thủy nhiệt có thể cung cấp năng lượng trong khoảng 10-50 năm

- Các nguồn nhiệt trong đá nóng nằm khá sâu trong lòng đất vào khoảng

4000 m và sâu hơn, hiện đang được tập trung nghiên cứu nhưng chưa được khai thác thương mại Các nguồn nhiệt trong đá nóng có thể cung cấp năng lượng lâu dài Năng lượng địa nhiệt có nhiều ưu điểm so với các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống, là nguồn năng lượng sạch, có giá thành khai thác thấp, làm việc liên tục nên có thể làm việc ở đáy đồ thị phụ tải Tuy nhiên là hơi nước trong lòng đất có chứa nhiều tạp hóa học chất dễ ăn mòn (có thể độc hại) và có nhiệt độ tương đối thấp nên hiệu suất nhiệt động của các nhà máy điện địa nhiệt

bị hạn chế Các vùng (bồn chứa) thủy nhiệt bao gồm nguồn đá nóng có tính thẩm thấu lớn và chứa nước với nhiệt độ khoảng từ 100- 4000C Chất lỏng này còn chứa một lượng đáng kể các chất rắn không hòa tan và chất khí không ngưng tụ Các giếng khoan dùng để lấy chất lỏng địa nhiệt sâu khoảng 200-3500m Từ giếng khoa có hệ thống đường ống vận chuyển chất lỏng địa nhiệt tới các thiết bị trong nhà máy điện Thông thường, Các nguồn thủy nhiệt có nhiệt độ cao trên 2000C mới có thể áp dụng cho nhà máy điện địa nhiệt phát điện thương mại

1.6 Năng lƣợng thủy triều và sóng biển

1.6.1 Sự hình thành năng lƣợng thủy triều và sóng biển

Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái đất gây ra bởi Mặt trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái đất và thạch quyển Trái đất) Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt trăng và Trái đất, trong khi Trái đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều

Sự nâng hạ của mực nước biển tác động lên các tổ hợp Cơ-Điện làm máy

1.6.2 Tiềm năng năng lƣợng thủy triều và sóng biển

- Tiềm năng trên thế giới:

Công ty Minesto, Thụy Điển đã phát triển một thiết bị để khai thác nguồn năng lượng từ các Đại dương Đó là diều turbine dưới nước với phần trên là một chiếc diều, mang theo ở phía dưới một tổ hợp turbine-máy phát (TF) vận hành nhờ thuỷ triều Các chuyên gia của công ty đã thử nghiệm tại biển Strangford Lough, Bắc Ireland trong những năm gần đây Diều có sải cánh 8-14 m, mang theo một TF phía dưới Chúng được neo bởi một dây cáp ở đáy biển Diều

"bay" trong dòng thuỷ triều để tăng tốc độ dòng chảy qua turbine lên 10 lần

Thiết bị phát điện diều TF phát ra năng lượng điện nhờ các dòng thủy triều là thế hệ đầu tiên có quy mô thương mại lớn, mạnh hơn 4 lần các máy phát điện dung năng lượng thủy triều khác Diều lơ lửng trong nước biển và miệng turbine được bảo vệ không cho các vật cứng hay cá lọt qua

Ander Jansson, giám đốc điều hành của Minesto nói: “Diều làm việc trong dòng chảy có tốc độ 1 - 2,5 m/giây, tùy thuộc vào vị trí và kích thước của diều, mỗi TFcó công suất từ 150 đến 800 kW, và hoạt động ở các vùng nước sâu 50-300m Các nhà khoa học rất kỳ vọng về diều TF và cho rằng đó là một nguồn năng lượng tuyệt vời cho Trái đất

- Tiềm năng ở Việt Nam

Kết quả đánh giá của Viện Khoa học Năng lượng Việt Nam, Việt Nam có tiềm năng khai thác nguồn năng lượng thủy triều khá cao bởi có rất nhiều vũng, vịnh, cửa sông, đầm phá và đặc biệt là có đường bờ biển dài trên 3.200km Khu vực Quảng Ninh, mật độ năng lượng thủy triều đạt khoảng 3,7 GWh/km2, Nghệ

hồ qua turbine thoát ra biển Như vậy cả hai chu trình nước biển vào, ra hồ chứa đều có khả năng quay turbine và phát ra điện Năng lượng thủy triều E được tính bằng công thức:

1025 kg/m3, h là chiều cao thủy tĩnh

Nhà máy điện thủy triều quy mô công nghiệp đầu tiên nằm trên cửa sông Rance, thuộc miền Bretagne phía đông nước Pháp và đổ vào biển Manche (hình 1.5) Eo biển này tạo nên hồ chứa rộng 22 km2 độ chênh nước thủy triều cực đại

10 m Ngày 28-10-1968 đã khánh thành nhà máy điện thủy triều gồm 24 tổ máy với công suất tổ máy 10 MW, tốc độ quay 93,75 v/ph Máy phát đồng bộ kích từ tĩnh, điện áp định mức 3500 V Phần đập cố định dài 160m và đập di dộng dài 115m, rộng 53m Khối lượng bê tông 35.000 m3

, 16.000 tấn thép Nhà máy làm việc hoàn toàn tự động do máy tính PDP 8 điều khiển, có tính đến chu trình nước biển, sự sẵn sàng hoạt động của thiết bị Vào giờ thấp điểm của hệ thống người ta sử dụng bơm để hỗ trợ tích nước trong hồ chứa Sản lượng điện bình

quân một năm là 600 GWh tương đương công suất trung bình 68 MW Nhà máy điện thủy triều Annapolis Royal, vịnh Fundy Canađa công suất 18 MW, độ chênh mức nước thủy triều 17 m Nga có nhà máy điện thủy triều Vislaya Guba

12 MW Do giá đầu tư lớn nên nhà máy điện thủy triều ít được phát triển

- Nhà máy thủy điện sóng biển sử dụng động năng sóng biển và dòng hải lưu để quay turbine và máy phát điện

Trong nhà máy sử dụng động năng sóng biển và dòng hải lưu, công suất P (kW) được tính bằng:

kg/m3, A là diện tích cánh turbine, v là vận tốc dòng chảy (m/s)

Năm 2008 nhà máy thủy điện sử dụng dòng hải lưu SeaGen ở Bắc Ailen

có công suất 1,2 MW đưa vào vận hành (hình 1.6)

1.7 Đề xuất hướng nghiên cứu

Trên cơ sở phân tích những dạng năng lượng mới và tái tạo, nhận thấy rằng công nghệ khai thác quang điện mặt trời là một trong những ngành phát triển nhanh nhất trên thế giới Vì vậy, tác giả luận văn đề xuất hướng nghiên cứu của đề tài vào dạng năng lượng mặt trời Với mục đích đưa ra một mô hình mạng điện có khai thác NLMT với việc thực hiện giải pháp khai thác tối đa năng

Hình 1.5 Nhà máy điện thủy triều

Rance, CH Pháp

Hình 1.6 Trạm phát điện sử dụng dòng

hải lưu SeaGen, Bắc Ailen

lượng phát ra từ tấm mặt trời Nội dung nghiên cứu gồm những phần chính sau đây:

- Mô hình mạng điện có khai thác năng lượng mặt trời

- Đặc điểm hoạt động của mạng điện có kết nối lưới và không kết nối lưới

- Giải pháp khai thác tối đa năng lượng điện từ mặt trời

nghiên cứu cho đề tài, những nội dung chính của luận văn

CHƯƠNG 2 MẠNG ĐIỆN KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TỪ PIN MẶT TRỜI 2.1 Giới thiệu chung

Tấm pin mặt trời có thể đặt trực tiếp trên các mái nhà, tường nhà, công trình công cộng ở các khu dân cư đông đúc Với việc phát triển công nghệ chế tạo pin mặt trời hiện nay, hiệu suất của các tấm pin ngày càng tăng lên nên các

hệ thống điện có khai thác năng lượng phát ra từ các tấm pin mặt trời đang ngày càng phát triển để thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống

Hình 2.1 Hệ thống điện có khai thác năng lượng mặt trời

Trên hình 2.1, tấm pin mặt trời có thể đặt trực tiếp trên mái nhà hoặc xây dựng tập trung cùng với các dạng năng lượng khác như năng lượng gió, máy phát diesel Năng lượng từ các nguồn này có thể được phát điện trực tiếp vào lưới điện hoặc được lưu lại trên các bộ lưu trữ năng lượng như ắc quy để phục

vụ trực tiếp cho phụ tải lân cận hay phát vào lưới theo yêu cầu vận hành

Các tấm pin mặt trời biến đổi năng lượng của các tia sáng tới từ mặt trời thành dòng quang điện (dòng điện 1 chiều) Nhược điểm chính của PV là năng lượng phát ra từ các tấm pin mặt trời luôn biến thiên theo thời gian, địa điểm và các điều kiện ngoại sinh như bức xạ mặt trời, nhiệt độ Đồng thời hiệu suất của các tấm pin mặt trời khá thấp nên việc khai thác năng lượng của PV cần phải có những phương pháp nhất định Với sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất

và công nghệ chế tạo pin mặt trời, năng lượng của PV sẽ được khai thác dưới các dạng sau:

- PV độc lập với lưới điện

- PV hybrid (kết hợp với các dạng nguồn khác)

Mô hình kiểu này thường được thiết kế cấp điện cho các ứng dụng sau:

- Hệ thống bơm nước

- Trạm đo thời tiết, trạm địa chấn hay các trạm thu thập dữ liệu khác

- Hệ thống báo hiệu trên đường, cảng biển hay sân bay

Hình 2.2 Mô hình hệ thống PV độc lập

- Các biển quảng cáo

- Hệ thống điện dự phòng thay thế cho các máy phát điện chạy dầu

Để đáp ứng được cho phụ tải, dung lượng của hệ thống tích trữ năng lượng phải đủ lớn và bộ nghịch lưu phải điều chế được dạng sóng sin chuẩn để

có thể thích ứng được với nhiều loại phụ tải khác nhau

2.2.2 Mạng điện có PV kếp hợp với các nguồn khác không kết nối lưới

- Hệ thống kết hợp máy phát điện NLMT với máy phát điện khác như tua bin gió, tuabin thủy điện nhỏ, bộ động cơ diesel, có đầy đủ lợi thế của tất cả các nguồn năng lượng tiềm năng tại địa phương

- Được sử dụng cho nhu cầu tải điện cao và liên tục

- Các khách hàng phổ biến tại VN: Trạm viễn thông, nhà máy điện ở nông thôn

Hệ thống này tận dụng ưu điểm của mỗi dạng năng lượng: PV chỉ có thể phát điện vào ban ngày (khi có ánh sáng mặt trời), tua bin gió có thể phát điện vào mọi thời điểm có gió (ít dùng ở nơi đông dân cư), thủy điện nhỏ chỉ có thể xây dựng ở những nơi có nguồn nước phù hợp… Ở những vùng xa xôi hải đảo, việc kết hợp những dạng năng lượng này là khá phù hợp vì có thể giúp giảm các chi phí xây dựng cũng như giảm giảm giá thành điện năng, đảm bảo cung cấp điện cho các phụ tải

Hình 2.3 Mô hình hệ thống PV kếp hợp

khiển

Tải một chiều

Tổ động cơ máy phát gồm các tua bin gió, tuabin thủy điện nhỏ …

Tải xoay chiều

2.2.3 Mạng điện có PV kết nối lưới

Hình 2.4 Mô hình PV kết nối lưới

Trong hệ thống này, dòng điện 1 chiều từ các tấm pin mặt trời sẽ được đi qua các bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC, bộ nghịch lưu DC/AC và đồng bộ với lưới điện Năng lượng sẽ được chạy qua công tơ đo Watt-giờ để đo đếm điện năng Trong các hệ thống này, tùy theo yêu cầu vận hành và so sánh chi phí để

có thể trang bị bộ tích trữ lượng

2.3 Các khối chức năng trong hệ thống điện có PV

Hình 2.5 mô tả sơ đồ khối của hệ thống điện có khai thác năng lượng từ các tấm mặt trời

2.3.1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel)

Pin mặt

trời

Hình 2.5 Sơ đồ khối của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời

Bộ biến đổi DC/DC

Ắc quy

Bộ biến đổi DC/AC

Tải hoặc lưới điện

Bộ biến đổi DC/DC

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây) Công suất và điện áp của một hệ thống

sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời lại với nhau

- Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…

2.3.2 Khối theo dõi điểm làm việc cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking)

MPPT là khối theo dõi điểm làm việc cực đại của tấm pin mặt trời Khối này sẽ điều khiển cơ chế phát xung của chip vi điều khiển, qua đó thay đổi điện

áp đầu vào của mạch DC để điện áp vận hành của PV là điện áp tại điểm cực

đại

MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV nhằm khai thác được tối đa năng lượng của PV, khắc phục được một phần nhược điểm hiệu suất thấp của PV

2.3.3 Bộ nghịch lưu DC-AC (Solar Inverter)

Bộ nghịch lưu là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bình ắc quy thành điện áp xoay chiều (AC)

Có hai kiểu nghịch lưu đó là:

Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng chữ H) chứa 4 công tắc S1,S2 ,S3 ,S4 và 4 diode D1,D2,D3,D4 mắc đối song

Hình 2.6 Sơ đồ và giản đồ điện áp nghịch lưu 1 pha

Bộ nghịch lưu cũng có thể mắc dưới dạng mạch tia (hình 2.7)

Hình 2.7 Sơ đồ và giản đồ điện áp nghịch lưu hình tia

Mạch gồm hai công tắc và hai diode mắc đối song với chúng Mạch tải và

ngõ ra của bộ nghịch lưu cách ly qua máy biến áp với cuộn sơ cấp phân chia

Trong trường hợp không sử dụng máy biến áp cách ly phía tải, nguồn điện

áp một chiều cần thiết kế với nút phân thế ở giữa (hình 2.8), đây là dạng mạch nghịch lưu áp nửa cầu

Hình 2.8 Sơ đồ và giản đồ điện áp - nghịch lưu áp nửa cầu

b) Phân tích bộ nghịch lưu áp 1 pha

Ta có thể phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu tương tự như bộ nghịch lưu áp ba pha Hai cặp công tắc (S1,S4) và (S2,S3) tương ứng với hệ thống hai pha tải đối xứng tưởng tượng (hình 2.6)

2 2

20 10 1

u u u

ut  t  

2 2

10 20 2

u u u

Phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha đạng cầu: Quá trình điện áp

và dòng tải được biểu diễn trên hình 2.9

Xét quá trình các đại lượng trong một chu kỳ hoạt động ở chế độ xác lập Giả thiết rằng tại thời điểm t=0, thực hiện đóng S1 và S2, ngắt S3 và S4 Điện áp tải bằng U, dòng điện tải chạy qua mạch (U-S1-S2) tăng lên theo phương trình:

0 ≤ t < T /2

ut = U

Ut = R.it + L dit

dtNghiệm dòng điện có dạng:

it = U

R + A.e

-t τ

2 và t=T

Hình 2.9 Sơ đồ nghịch lưu cầu 1 pha

Lúc đó, tại tời điểm t=0: U

R + A.e

0 = Imin => A = Imin - U

Giá trị Imin và Imax có thể xác định từ quá trình đối xứng của hai nửa chu

kỳ điện áp và dòng điện tải, từ đó suy ra rằng Imax = - Imin Áp dụng quan hệ trên vào các hệ thức tính I, ta thu được:

Công suất tải: Công suất tiêu thụ trên tải R-L có thể xác định theo hệ thức R.It2 với It là trị hiệu dụng dòng điện qua tải được tính theo biểu thức:

Như vậy, quá trình dòng tải trong một chu kỳ hoạt động sẽ có thể biểu diễn như sau:

R

U I

R

U T dt

t t T I

Công suất tải có thể xác định theo trị trung bình dòng qua nguồn dc Is nếu

ta bỏ qua tổn hao của linh kiện bộ nghịch lưu:

P = U.Is

dt e

R

U I

R

U T I

2.3.3.2 Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 3 pha

a) Điều khiển bộ nghịch lưu bằng phương pháp PWM

Bộ nghịch lưu PWM, chính là hệ thống mà điện áp đầu ra đúng là hình sin thuần tuý, nó có thể chia nửa chu kỳ hình sin ra N phần bằng nhau, như trên hình 2.10a (trong đó N = 12) sau đó lấy diện tích bao bởi trục hoành và đường cong hình sin tạo ra được thay thế bằng một xung hình chữ nhật cùng chiều cao

có diện tích bằng nó, trung điểm của xung hình sin trùng với tâm của mỗi một phần trên sóng hình sin (hình 2.10b) Như vậy đồ thị sóng do N xung hình chữ nhật cùng biên độ nhưng khác nhau về chiều rộng đã thay thế (tương đương) bán

chu kỳ hình sin Tương tự, ở bán chu kỳ âm của sóng hình sin cũng được thay thế theo phương pháp như vậy

Một loạt xung trên hình 2.10.b chính là đồ thị đầu ra của bộ nghịch lưu PWM.Có thể thấy rằng do biên độ bằng nhau của các xung nên bộ nghịch lưu có thể cung cấp nguồn điện một chiều không đổi, cũng có thể nói rằng bộ chỉnh lưu với bộ nghịch lưu một chiều - xoay chiều này dùng bộ chỉnh lưu điôt không điều khiển là có thể thoả mãn rồi Giá trị biên độ của xung đầu ra bộ nghịch lưu chính là điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu Lúc bộ nghịch lưu làm việc ở thạng thái lý tưởng, tín hiệu của các linh kiện đóng mở tương ứng cũng sẽ có một loạt xung có hình tương tự như trên hình 2.10b, điều này rất dễ dàng suy luận ra được Về mặt lý thuyết mà nói độ rộng của một loạt xung này có thể dùng phương pháp tính để tìm ra được, làm chỗ dựa cho việc đóng mở các linh kiện

để điều khiển bộ nghịch lưu

Nhưng biện pháp thường dùng thực tế là đưa ra khái niệm "điều chế " trong kỹ thuật thông tin, đồ thị sóng mong muốn (ở đây là sóng hình sin) làm sóng điều chế (Modulating wave), còn tín hiệu chịu sự điều khiển của nó gọi là sóng mang (Carrier wave) Trong bộ PWM thường dùng sóng tam giác cân làm sóng tải, bởi vì sóng tam giác cân là hình sóng tuyến tính có độ rộng trên dưới đối xứng nhau, lúc nó giao với đường cong trơn bất kỳ, ở thời điểm giao ấy điều khiển được đóng ngắt mở thông của linh kiện, nghĩa là nhận được độ rộng xung cùng biên độ với xung hình chữ nhật có trị số của hàm số đường cong này, đó chính là kết quả cần thiết của bộ PWM

b) Nguyờn lý làm vịờc

Hỡnh 2.12a là mạch điện chớnh của bộ biến tần PWM, trong hỡnh S1 ~ S6

là 6 linh kiện đúng mở cụng suất của bộ nghịch lưu (ở đõy là IGBT) mỗi cỏi mắc song song ngược với điụt, cả bộ nghịch lưu được cấp điện bởi bộ chỉnh lưu

3 pha cú điện ỏp và dũng điện khụng đổi Hỡnh 2.12b là mạch điều khiển của nú, một nhúm tớn hiệu điện ỏp tham khảo hỡnh sin đối xứng ura , urb ,urc do bộ phỏt sinh cỏc tớn hiệu tham khảo cung cấp, tần số của nú xỏc định bởi tần số súng cơ bản đầu ra bộ nghịch lưu , cần phải điều khiển được trong phạm vi tần số đầu ra

đó yều cầu Giỏ trị biờn độ của tớn hiệu tham khảo cũng cú thể thay đổi trong phạm vi nhất định, nhằm xỏc định độ lớn của điện ỏp đầu ra Tớn hiệu ut của súng tải tam giỏc là dựng chung, sau khi so sỏnh điện ỏp tham tham khảo mỗi

PWM

Hình 2.11 Ph-ơng pháp

điều chế độ rộng xung và đồ thị kiểu một cấp

a)Sóng truyền tải tam giác và sóng điều chế hình sin b)Đồ thị sóng đầu ra PWM

một pha lần lượt đưa ra tớn hiệu bóo hũa "dương" hoặc "0" , sinh ra cỏc xung của PWM sắp đặt theo thứ tự uda ,udb , udc , làm tớn hiệu điều khiển khởi động của cỏc linh kiện đúng mở cụng suất của bộ nghịch lưu

bộ dao

động tín hiệu tham khảo

u d a

u db

u dc

bộ dao động sóng tam giác

a Mạch điện chớnh b) Sơ đồ khối mạch khống chế Hỡnh 2.12 Sơ đồ nguyờn lý mạch điện bộ nghịch lưu PWM

Phương thức điều khiển cú thể là một cấp, hoặc là hai cấp Lỳc sử dụng điều khiển một cấp trong bỏn chu kỳ hỡnh sin mỗi pha chỉ cú một cụng tắc mở hoặc một cụng tắc đúng , chẳng hạn như S1 của pha A đúng ngắt thường xuyờn, hỡnh 2.12 biểu thị trạng thỏi điều chế lỳc bấy giờ Lỳc điện ỏp tham khảo Ura cao hơn điện ỏp súng tam giỏc Ut điện ỏp đầu ra uda của bộ so sỏnh tương ứng là

"dương" Ngược lại sẽ là "0" Chỉ cần giỏ trị cực đại của súng điều chế hỡnh sin thấp hơn biờn độ của súng tam giỏc, kết quả điều chế từ hỡnh 2.11a tất nhiờn sẽ hỡnh thành súng điều chế độ rộng xung uda = f(t) của bộ PWM nằm giữa hai phớa khụng bằng nhau về chiều rộng, bằng nhau về biờn độ như trờn hỡnh 2.11b Bỏn chu kỳ õm cũng dựng phương phỏp tương tự như thế sau khi điều chế nghịch đảo mà thành

Trong mạch điện chớnh hỡnh 2.12a hai loại "dương" và "0" của đầu ra udacủa bộ so sỏnh lần lượt tương ứng với hai trạng thỏi thụng và cắt của cụng tắc

VTl đúng mở cụng suất tương ứng Bởi vỡ VT1 liờn tục đúng mở trong bỏn chu

kỳ dương, đầu ra của bộ nghịch lưu cú thể nhận được điện ỏp pha uav = f(t) của

bộ PWM tỏi hiện hỡnh dạng uda , biờn độ xung là Us/2, độ rộng xung biến đổi

theo quy luật hình sin tương ứng , xem hình 2.13 Đồng thời với nó, tất yếu phải xuất hiện bán chu kỳ âm của pha B và C (S6 hoặc S2 mở thông), biên độ xung

uB0 hoặc uC0 là -Us/2 Bán chu kỳ uA0 = f(t) được thực hiện nhờ mở thông và khoá ngắt của S4 Còn hai pha khác cũng tương tự như vậy chỉ khác là góc pha lệch nhau 1200

khảo hình sin, chỉ khác là trạng thái đóng mở của các công tắc công suất là khác nhau

Lúc điều khiển hai cực, bộ nghịch lưu được mở và ngắt thay nhau bởi hai công tắc của nhánh cầu trên và nhánh cầu dưới, ở vào phương thức làm việc bù lẫn nhau

Như trong hình 2.14b, uA0 = f(t) là xung nhảy cóc giữa +Us/2 và -Us/2 ,khi

ur a > ut , VT1 mở thông , uA0 = Us/2 ; lúc ura < uT , VT4 mở thông, uA0 = -Us/2 Cũng như vậy uB0 trên hình 2.14c nhận được là nhờ VT5 và VT6 thay đổi nhau

mở thông ; uC0 trên hình 2.14d nhận được là nhờ VT5 và VT2 luân phiên nhau

mở thông Đồ thị uAB = f(t) của điện áp dây trên đầu ra của bộ nghịch lưu do uAo

hoặc uB0 cung cấp như trong hình 2.14e, giá trị biên độ xung là +Us và -Us

c) Quan hệ giữa điện áp đầu ra và độ rộng xung của bộ nghịch lưu

Trong hệ thống điều tốc biến tần, động cơ phụ tải được dẫn động nhờ tiếp nhận điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu, đối với động cơ mà nói phần có ích chỉ là điện áp cơ bản, vì vậy cần phải phân tích đồ thị điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu Lấy đồ thị đầu ra của bộ PWM kiểu một cực như trên hình 2.13 để xem xét giá trị biên độ xung của nó là Us/2 Trong bán chu kỳ của hình sóng có N xung, mỗi xung có chiều rộng khác nhau, nhưng khoảng cách trung tâm của nó là như nhau

và bằng /N rad, bằng chu kỳ của sóng tải tam giác

Đặt chiều rộng của xung chữ nhật thứ i là i (xem hình 2.13), góc pha trung điểm của nó là i, bởi vì bắt đầu từ điểm gốc chỉ có sóng nửa tam giác, từ hình vẽ có thể thấy, góc i có thể viết thành

   

N

i N

i N

i

2

1 2 2



 (c.1) Bởi vì đồ thị điện áp đầu ra u(t) vừa đối xứng theo bán chu kỳ âm dương vừa đối xứng trái phải, nó là một hàm chu kỳ lẻ, có thể khai triển theo chuỗi Furiê

i m s

1 2 2



Góc pha kết thúc của xung đó là

i i

1 2 2

N i km

k N

i k k

U t td k

U U

i i

i i

2 ) ( sin

2

2

1 2

1

2 1

1 1

N

i k k

U t

N i s

2 sin ) 2

1 2 sin(

2 )

2

) 2

1 2 sin(

1 1

U

N i s

m (c.5)

Có thể thấy giữa giá trị biên độ điện áp cơ bản ở đầu ra U1m và độ rộng các xung i có quan hệ tỷ lệ Kết luận này rất quan trọng , nó nói nên rằng biên

độ của tín hiệu tham khảo khi thay đổi các độ rộng xung sẽ thực hiện được việc điều chỉnh trơn tru giá trị biên độ sóng cơ bản điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu Lấy biểu thức (c.1) và (c.2) thay vào biểu thức (3.5) sẽ được

U

N

i N

U N

i N

U

N

i U

U N N

i U

U

N i m

N i m N

i m

s m N

i

s m

1 1

) 1 2 cos(

1 2

1 2

) 2

1 2 ( sin 2

2

1 2 sin )

2

1 2 sin(

2

1

1 2

1

1 1

(c.6)

Có thể chứng minh rằng , trừ N = 1 ra có ba số hạng của chuỗi

0)

12cos(

có thể hạn chế sóng hài cấp thấp dưới k = 2n-1, nhưng vãn còn tồn tại sóng điện

áp hài bậc cao

d) Điều kiện ràng buộc khi điều chế độ rộng xung

Dựa vào đặc điểm độ rộng xung, công tắc của mạch điện chính bộ nghịch lưu trong nửa chu kỳ điện áp đầu ra của chúng phải đóng mở N lần, còn năng lực đóng mở của bản thân công tắc phụ thuộc vào khả năng chuyển đổi cuả nó

và cấu trúc của mạch điện chính.Vì vậy kỹ thuật điều chế độ rộng xung khi ứng dụng vào điều chế độ rộng xung của dòng xoay chiều tất yếu phải chịu một điều kiện ràng buộc, chủ yếu có hai điểm sau đây

(1)- Tần số đóng mở tổn hao công suất đóng mở của công tắc bộ nghịch lưu đã hạn chế số xung trong mỗi giây của bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung (tức là số lần thao tác trong một giây của mỗi công tắc trong bộ nghịch lưu) Khả năng đổi chiều của tyristo thông dụng còn kém, tần số đóng mở của nó không vượt quá 300 ~ 500Hz , ngày nay trong bộ nghịch lưu SPWM rất ít được

sử dụng Người ta thay thế nó bằng bóng công suất GTR (tần số đóng mở đạt tới

1 ~ 5 kHz), bóng bán dẫn GTO (tần số đóng mở là 1 ~2 kHz), bóng công suất trường P - MOSFET (tần số đóng mở đạt tới trên 20kHz) Sau tiết này đều dùng GTR làm linh kiện đóng mở (công tắc)

(2)- Độ điều chế (chỉ số điều chế) M

Để đảo bảo làm việc an toàn cho các linh kiện đóng mở của mạch điện chính, cần phải làm cho sóng xung cần điều chế có độ rộng xung nhỏ nhất bị hạn chế bởi thời gian gián cách tối thiểu, nhằm bảo đảm độ rộng xung lớn hơn thời gian mở thông ton và thời gian ngắt toff của linh kiện đóng mở Điều này yêu cầu biên độ của tín hiệu tham khảo không vượt qua lượng phần trăm nào đó của giá trị cực đại xung truyền tải tam giác (gọi là số phần trăm tới hạn) Thường định nghĩa độ điều chế (Modulation Index) là:

và tín hiệu tham khảo của sóng điều chế hình sin Trong trường hợp lý tưởng M thay đổi trong phạm vi 0 ~ 1 để điều chỉnh biên độ của điện áp đầu ra, trên thực

tế M luôn luôn nhỏ hơn 1 Lúc độ điều chế vượt quá hạn chế của độ rộng xung cực tiểu có thể làm thay đổi sự làm việc của độ rộng xung cực tiểu theo quy định, phá vỡ quy luật điều chế độ rộng xung chính tắc Nhưng như vậy sẽ làm cho giá trị biên độ của điện áp đầu ra bộ nghịch lưu không còn là hàm số tuyến tính của biên độ điện áp điều chế mà nghiêng về giá trị thấp, đồng thời kéo theo điện áp sóng hài tăng lên

Vai trò của một bộ biến đổi DC-DC trước hết là biến đổi một công suất điện vào P1= V1.I1 thành một công suất điện ra P0 = V0.I0 với hiệu suất  = P0/P1tốt nhất có thể (Hình 2.15)

V 1

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-DC

Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia thành hai loại:

- Bộ tăng thế V0 > V1 (Voltage Booster)

- Bộ hạ thế V0 < V1 (Voltage Reducer hoặc Buck)

Trên sơ đồ mô hình khai thác chúng ta cần một bộ tăng thế nên đề tài chỉ

để cập đến bộ tăng thế

* Nguyên lý hoạt động của bộ tăng thế

Nói chung, bộ tăng thế DC-DC dùng để nạp ắc quy được thực hiện qua cuộn cảm Chuyển mạch K đóng mở với chu kỳ T = Ton + Toff ( hình 2.16)