Báo cáo khoa học Nghiên cứu, thiết kế chế tạo micro inverter ứng dụng cho một số sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời

Tuy tiềm năng ứng dụng điện mặt trời trong tương lai tại Việt Nam là rất lớn nhưng hầu hết các dự án về năng lượng điện mặt trời ở nước ta chỉ triển khai tập trung tại các hải đảo, vùng

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

      

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2012

Tên đề tài:

ỨNG DỤNG CHO MỘT SỐ SẢN PHẨM SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

HÀ NỘI- 02/2013

Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài

TS Ngô Văn Sỹ

DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Viê ̣c nghiên cứu sử du ̣ng năng lượng mă ̣t trời ngày càng được quan tâm và là hướng quan tro ̣ng trong kế hoa ̣ch phát triển năng lượng của nước ta Tuy tiềm năng ứng dụng điện mặt trời trong tương lai tại Việt Nam là rất lớn nhưng hầu hết các dự án về năng lượng điện mặt trời ở nước ta chỉ triển khai tập trung tại các hải đảo, vùng sâu, vùng xa không có lưới điện quốc gia Vì vậy bộ biến đổi pin mặt trời ở đây chỉ là loại không kết nối lưới (off-grid) Hiện nay một số nước ở châu Âu, Mỹ đã triển khai lưới điện thông minh (smart grid) và với chính sách năng lượng tái tạo cho phép các bộ solar inverter được kết nối lưới (grid connected solar inverter) với giá bán được trợ giá Đây là mô hình áp dụng rất tiềm năng ở nước ta trong tương lai Hầu hết các loại solar inverter thương mại hiện nay là kiểu tập trung (central inverter) có công suất lớn, nhưng gần đây thị trường xuất hiện một thế hệ mới kiểu công suất nhỏ gọi là micro-inverter Ưu điểm chính của nó so với loại loại tập trung là: khi có một số nhỏ panels bị che khuất ánh sáng mặt trời (do thời tiết hay yếu tố bên ngoài tác động), hay không đồng bộ khi lắp đặt thì không làm giảm công suất đầu ra một tỉ lệ lớn như đối với loại tập trung Mỗi micro-inverter đảm bảo được công suất tối ưu nhờ thực hiện bám theo công suất đỉnh (MPPT) cho mỗi panel Loại micro-inverter rất thích hợp đầu từ cho các hộ dân cư cần công suất điện mặt trời nhỏ trong điều kiện khoảng không gian gia nhỏ hẹp, dễ bị che lấp ánh sáng Thị trường của sản phẩm này là loại M215 của Enphase Energy đang rất

ưu chuộng tại Bắc Mỹ và năm 2011 được hợp tác với Siemens để phát triển cho thị trường châu Âu Hiện nay ở Việt Nam Siemens chưa bán sản phẩm này

Vì vậy đề tài “nghiên cứu, thiết kế chế tạo micro inverter ứng dụng cho một số sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời” tại Việt Nam có tính thiết thực cao cung cấp nhu

cầu cho các đối tượng hộ gia đình, góp phần làm giảm áp lực ngân sách đầu tư mở rộng nguồn điện, khuyến khích người dân đầu tư điện mặt trời bán cho nhà nước khi dư thừa

Đà nẵng, tháng 12 năm 2012

Chủ nhiệm đề tài

Ngô Văn Sỹ

Mục Lục

CHƯƠNG I 1

Nghiên cứu, khảo sát về các thiết bị biến đổi năng lượng mặt trời (PV solar inverter) 1

1.1 Năng lượng mă ̣t trời 1

1.1.1 Điện mặt trời 1

1.1.2 Nhiệt mặt trời 2

1.2 Pin mặt trời 2

1.2.1 Khái niệm 2

1.2.2 Hiệu ứng quang điện 2

1.2.3 Cấu ta ̣o và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của pin mặt trời 3

1.2.4 Các đặc trưng của pin mặt Trời 5

1.3 Hệ thống điện mặt trời 11

1.4 Các dự án điện mặt trời 11

1.5 Điện mặt trời tại Việt Nam 13

1.5.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam 13

1.5.2 Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam 14

CHƯƠNG II 15

Nguyên lý hoạt động và cấu trúc của hệ thống Micro Inverter 15

2.1 Giới thiê ̣u chung về bô ̣ inverter của hê ̣ thống năng lượng mă ̣t trời 15

2.1.1 Bô ̣ inverter trung tâm 15

2.1.2 Bô ̣ Micro-inverter 16

2.1.3 So sánh ưu nhược điểm của bô ̣ micro-inverter so với inverter trung tâm 16

2.2 Cấu ta ̣o chung về bô ̣ micro-inverter 17

2.2.1 Bô ̣ inverter 18

2.2.2 Bô ̣ lo ̣c (Filter) 25

2.2.3 Bô ̣ tăng áp DC-DC converter 27

Chương III 35

Thiết kế và Mô phỏng phần động lực hệ thống Micro-inverter 35

3.1 Mô hình pin quang điện 35

3.2 Thiết kế mạch động lực bộ micro-inverter 37

3.2.1 Thiết kế mạch lọc LCL 38

3.2.2 Thiết kế bộ nghịch lưu 42

3.2.3 Thiết kế bộ tăng áp một chiều 43

3.3 Mô phỏng hệ thống trên Simulink 45

Chương IV 48

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 48

4.1 Yêu cầu thiết kế 48

4.2 Thiết kế tổng quan hệ thống 48

4.3 Thiết kế chi tiết các khối 50

4.3.1 Vi điều khiển 50

4.3.2 Mạch đo dòng và áp 52

4.3.3 Mạch đo tần số 56

4.3.4 Mosfet driver 56

4.3.5 Mạch nguồn 57

Chương V: 60

Nghiên cứu xây dựng các thuật toán và lập trình cho vi điều khiển 60

5.1 Thuật toán điều khiển bộ mico-inverter 60

5.2 Tìm kiếm công suất đỉnh 61

5.2.1 Hệ số lấp đầy cố định 63

5.2.2 Quét công suất 64

5.2.3 Thuật toán leo đồi 64

5.2.4 Thuật toán điện dẫn gia tăng 65

5.2.5 Lựa chọn thuật toán 67

5.3 Bộ điều khiển cho khâu tăng áp DC/DC converter 67

5.4 Điều khiển hòa đồng bộ lưới điện 71

5.5 Điều khiển dòng điện lưới 75

CHƯƠNG VI 77

THIẾT KẾ GIAO TIẾP TRUYỀN THÔNG 77

6.1 Về yêu cầu của hệ thống 77

6.2 Chuẩn Modbus 77

6.2.1 Cơ chế giao tiếp 77

6.2.2 Chế đô ̣ truyền 78

6.2.3 Cấu trúc bức điê ̣n 79

6.3 Truyền thông bằng sóng Wireless 80

6.3.1 Công nghệ ZigBee 80

6.3.2 Thiết kế truyền thông chuẩn Zigbee 82

Chương VII 83

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 83

7.1 Kết quả thực nghiệm với 3 solar panels (3x110Wp)+ Acqui (24V, 35Ah) + Microinveter 83

7.2 Kết quả thực nghiệm với 2 solar panels (2x110Wp)+ Microinveter (nối trực tiếp không qua acqui) 87

7.3 Thử nghiệm hiệu suất biến đổi vào/ra 88

7.4 Thử nghiệm đánh giá sóng hài 89

7.5 Kết luận về kết quả thực nghiệm 89

Chương VIII 91

KẾT LUẬN 91

* Nội dung nghiên cứu phát triển của đề tài trong giai đoạn 2 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC 93

Danh sách hình vẽ

Hình 1-1: Cấu tạo đơn giản của một tấm pin mặt trời 2

Hình 1-2 : Hiê ̣n tượng của hiê ̣u ứng quang điê ̣n 3

Hình 1-3: Cấu tạo của tấm pin mặt trời 4

Hình 1-4 : Hoạt động của pin mặt trời 4

Hình 1-5 : a) sơ đồ tương đương của pin mặt trời 5

Hình 1-6 : Sự phụ thuộc đặc trưng V(A) của pin mặt trời vào cương độ bức xạ của mặt trời 7

Hình 1-7:Sự phụ thuộc đặc trưng ánh sáng V(A) của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin 8

Hình 1-8 : Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại 9

Hình 2-1 A central solar inverter 15

Hình 2-2 solar micro-inverter 16

Hình 2-2.1: Mô hình bộ micro-inverter 18

Hình 2-3 Bô ̣ nghi ̣ch lưu mô ̣t pha dùng hai transistor, tải L + R + C cô ̣ng hưởng nối tiếp 19

Hình 2-4 Bô ̣ nghi ̣ch lưu cầu mô ̣t pha nguồn áp 20

Hình 2-5 Biểu đồ da ̣ng sóng 20

Hình 2-6: Điều biến độ rộng xung sin hóa đơn cực 23

Hình 2-7: Điều biến độ rộng xung sin hóa lưỡng cực 24

Hình 2-8 (a) Sơ đồ ma ̣ch tương đương và mô hình (b) của bộ lọc LCL 26

Hình 2-9: Sơ đồ ma ̣ch bô ̣ lo ̣c LCL 27

Hình 2-10 Sơ đồ khối của bô ̣ nghi ̣ch lưu sử dụng máy biến áp 28

Hình 2-11 Sơ đồ khối bô ̣ nghi ̣ch lưu sử dụng bô ̣ tăng áp mô ̣t chiều 28

Hình 2-12 Sơ đồ ma ̣ch 30

Hình 2-13 : Sơ đồ ma ̣ch tương đương cho bô ̣ chuyển ma ̣ch Boost DC/DC trong CCM 31

Hình 2-14: Sơ đồ ma ̣ch tương đương cho bô ̣ chuyển ma ̣ch Boost DC/DC trong CCM 32

Hình 3-1: Sơ đồ tương đương của pin quang điện 35

Hình 3-2: mô hình pin quang điện trên Simulink 37

Hình 3-3: Mô hình bộ micro-inverter 37

Hình 3-4: mạch điện tương đương và mô hình bộ lọc LCL 38

Hình 3-5: đáp ứng tần số của bộ lọc thiết kế được 41

Hình 3-6 : Dạng điện áp trước và sau bộ lọc 41

Hình 3-7: Bộ nghịch lưu cầu 42

Hình 3-8 : Mô hình mạch điện bộ tăng áp một chiều 43

HìHình 3-9 : Tín hiệu ra đối với tải thuần trở 46

Hình 3-10 : Tín hiệu đầu ra với tải RL nối tiếp 47

Hình 3-12: Tín hiệu ra với tải RLC nối tiếp 47

Hình 4.0 Hệ thống micro-inverter chuyến đổi pin mặt trời kết nối lưới và nối mạng 49

Hình 4-1: Sơ đồ khối tổng thể bộ micro-inverter 50

Hình 4-2 Biểu diễn sơ đồ chân của dsPIC33FJ16GS504 51

Hình 4-3 : Sơ đồ chân MCP6022 53

Hình 4-4: Mạch đo điện áp một chiều 53

Hình 4-5 : Mạch đo điện áp xoay chiều 54

Hình 4-6: Mạch đo dòng 55

Hình 4-7: mạch phát hiện chuyển trạng thái 56

Hình 4-8 : sơ đồ chân IC IR2113 57

Hình 4-9: Mạch điều khiển MOSFET 57

Hình 4-10: Sơ đồ khối bên trong LM2576HV-ADJ 58

Hình 4-11 Sơ đồ kết nối LM2576HV-ADJ 58

Hình 5-0.0: Lưu đồ thuật toán điều khiển bộ mico-inverter 60

Hình 5.0.1 sơ đồ khối mô tả chức năng các thực toán của bộ Solar micro-inverter 61

Hình 5-1: Đặc tính V-A của tấm pin quang điện ở điều kiện kiểm thử chuẩn 62

Hình 5-2 : Đặc tính V-A của tấm pin quang điện ở các điều kiện hoạt động khác nhau 62

Hình 5-3: Thuật toán độ dẫn gia tăng 66

Hình 5-4: Đặc tính P-V của pin quang điện trong điều kiện che phủ một phần 66

Hình 5-5: Bộ boost inverter 68

Hình 5-6: Sơ đồ khối điều khiển bộ tăng áp 69

Hình 5-7 : Đặc tính quá độ của bộ boost 70

Hình 5-8 : Đáp ứng quá độ của bộ boost với bộ điều khiển PID 71

Hình 5-9 : Cấu trúc PLL chung của bộ nghịch lưu một pha 72

Hình 5-10 : Sơ đồ khối bộ PLL sử dụng trong bộ micro-inverter 74

Hình 5-11 : Góc pha ước lượng từ điện áp lưới 75

Hình 5-12 : Biên độ ước lượng từ điện áp lưới 75

Hình 5-13 : bộ lọc LCL 76

Hình 5-14 : Sơ đồ khối điều khiển dòng điện lưới 76

Hình 6-2: Chu trình yêu cầu - đáp ứng 78

Hình 6-3: Mô hình giao thức của Zigbee 80

Hình 6- 4: Cấu trúc liên kếtmạng 81

Hình 6-5: Cấu trúc ma ̣ng hình sao 81

Hình 6-6: Cấu trúc mạng mesh 82

Danh sách các thuật ngữ viết tắt

MPPT (Maximum Power Point tracking): Tìm kiếm công suất đỉnh

PV (Photovoltaic): Pin quang điện

PLL (Phase Locked Loop): vòng khóa pha

PLC (power line communication): truyền thông tải ba

PWM (pulse width modulation): điều biến độ rộng xung

SM (Smart grid): lưới điện thông minh

SMI (Solar Micro-inverter): bộ chuyển đổi pin mặt trời kiểu nhỏ

SMPS (switch mode power supply): nguồn chuyển mạch kiểu xung

Wp (Watt peak): Công suất đỉnh

CHƯƠNG I

Nghiên cứu, khảo sát về các thiết bị biến đổi năng lượng mặt trời (PV solar

inverter)

1.1 Năng lươ ̣ng mă ̣t trời

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa

Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 joule

Trên trái đất năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên Trái Đất Ngay ngoài khí quyển Trái

Đất, cứ mỗi một mét vuông diện tích vuông góc với ánh nắng Mặt Trời, chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1.400 joule trong một giây

Con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng này từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, những vùng

sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm.Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay là điện mặt trời và nhiệt mặt trời

 Chuyển đổi gián tiếp bằng cách tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ ánh sáng để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện Phương pháp này ứng dụng để sản xuất điện với quy mô lớn

1.1.2 Nhiệt mặt trời

Năng lượng mặt trời còn được ứng dụng để đun nước nóng, làm ấm không gian bằng các tấm thu nhiệt, hoặc nấu nướng bằng các chảo tập trung ánh sáng mặt trời

1.2 Pin mặt trời

Mục tiêu của đề tài là chế tạo bộ micro inverter ứng dụng cho hệ thống pin mặt trời,

vì vậy mà ta cần tìm hiểu các đặc tính của tấm pin năng lượng mặt trời

Hình 1-1: Cấu tạo đơn giản của một tấm pin mặt trời

1.2.2 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

Hình 1-2 : Hiê ̣n tượng của hiê ̣u ứng quang điê ̣n

Hiê ̣n tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần

số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon vàchuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e-

đồng thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo

ra dòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn tạo nên hiêu ứng quang điện trong (external photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

1.2.3 Cấu ta ̣o và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của pin mặt trời

a) Cấu tạo

Pin mặt trời có cấu tạo tương tự như một diode bán dẫn gồm có 2 lớp bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, nhưng có diện tích bề mặt rộng Mặt trên là lớp bán dẫn loại N (Chất bán dẫn Si pha tạp chất P) cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua, lớp bán dẫn này tiếp xúc với lớp bán dẫn loại P (Chất bán dẫn Si pha tạp chất B)

Ngoài ra, một pin mặt trời còn có một số thành phần khác như các điện cực, lớp phủ chống phản xạ và đế cách điện Hình bên dưới cho thấy cấu tạo cơ bản của một tấm pin mặt trời:

Hình 1-3: Cấu tạo của tấm pin mặt trời

b) Nguyên tắc hoạt động

Khi hai2 lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn (tức là do gradient hóa thế) nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phần bán dẫn p ngay đối diện tích điện âm Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn n sang p (Utx sẽ ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc)

Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện (Hình 1-4) Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới

Hình 1-4 : Hoạt động của pin mặt trời

Lớp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một diode, chỉ cho điện tử dẫn và lỗ trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng

Nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang điện I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải về bán dẫn n

1.2.4 Các đặc trưng của pin mặt Trời

a) Sơ đồ tương đương

Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc pn bằng một dây dẩn, thì pin mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy trước hết pin mặt Trời có thể xem tương đương như một “nguồn dòng”

Lớp tiếp xúc bán dẩn pn có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diot.Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng dò Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc pn người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh (shun)

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẩn p và n,các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là mộtđiện trở

Rs nối tiếp trong mạch (có thể là điện trở trong của pin mặt Trời)

Như vậy, một pin mặt Trời được chiếu sáng có sơ đồ tương đương như sau:

Hình 1-5 : a) sơ đồ tương đương của pin mặt trời

b) đường đặc trưng theo độ chiếu sáng của pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được những phương trình đặc trứng sáng Von –Ampe của pin mặt trời như sau:

( 1.1 )

Trong đó:

Iph : dòng quang điện (A/m2)

Id : dòng qua diot (A/m2)

n : được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công

nghệpin mặt Trời Gần đúng có thể lấy n = 1;

Rs : điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt Trời (Ω/m2);

Rsh : điện trở sơn (Ω/m2);

q : điện tích của điện tử (C);

Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức (1.1) Đường đặc trưng sáng vôn-ampe của pin mặt Trời cho bởi biểu thức có dạng như đường cong trong (hình 1-5) Có ba điểm quan trọng trên đường đặc trưng này:

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối tiếp Rs có thể bỏ qua, và Id= 0 và do đó ta có: Isc = Iph = αE Trong đó E là cường độ sáng, α là một hệ số tỉ lệ Như vậy ở điều kiện bình thường, dòng đoản mạch Isc của pin mặt Trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Hình 1-6, cho thấy các đường đặc trưng VA của pin mặt Trời phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Với pin mặt Trời tinh thể Si, Isc≈30mA/cm2 khi cường độ bức xạ tới E0 = 1000W/m2 và nhiệt độ T = 25

OC Đường chấm là đường nối các điểm làm việc tối ưu có công suất cực đại ở các cường độ bức xạ khác nhau

Hình 1-6 : Sự phụ thuộc đặc trưng V(A) của pin mặt trời vào cương độ bức xạ của mặt

trời

c) Điện áp hở mạch VOC

Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R=∞) Khi đó dòng mạch ngoài I= 0 Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (1.1) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau:

Vì Iph>> Is nên ta có thể viết :

Trong biểu thức của VOC ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp (thừa

số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bảo hòa IS Như đã biết, dòng bảo hòa IS

là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và bị gia tốc bởi điện trường tiếp xúc Khi nhiệt độ của pin mặt Trời tăng dòng bảo hòa IS cũng tăng lên theo hàm mũ:

Với:

Trong biểu thức (1.4) A là điện tích bề mặt tiếp xúc p - n, gth là mật độ hạt dẫn được tạo ra do kích thích nhiệt trong lớp tiếp xúc, g0 = gth khi T = ∞ được gọi là hệ số kích thích nhiệt Đặt các biểu thức này vào biểu thức VOC ta có:

Từ công thức trên ta thấy, chỉ khi T = 0 thì mới thu được các đầu ra của tiếp xúc p-n điện thế bằng thế năng Eg/q của cặp e- - h+ Còn khi T > 0 thì

Sự khác nhau giữa các thế năng khi T = 0 và khi T > 0 phụ thuộc vào hệ số kích thích nhiệt g0 và vào hiệu suất góp K Khi chiếu sáng với cường độ sáng cao thì Nph

tăng lên và V0 càng gần tới gía trị Eg/q Ngoài ra, VOC tăng theo hàm loga với dòngquang điện Iph mà đến lượt nó lại tăng tuyến tính với cường độ bức xạ chiếu sáng Kết quả là thế hở mạch VOC tăng theo hàm loga theo cường độ bức xạ chiếu sáng và giảm tuyến tính khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng Đối với các pin mặt trời tinh thể Si, khi nhiệt độ tăng trong khoảng từ 200C đến 1000C thì VOC giảm khoảng 2 mV/0C, còn dòng quang điện tăng lên khoảng 0,03mA/cm2.0C Hình 1-7, cho thấy sự phụ thuộc đặc trưng sáng V-A của pin mặt trời tinh thể Si vào nhiệt độ từ -400C đến +600C

Hình 1-7:Sự phụ thuộc đặc trưng ánh sáng V(A) của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin

d) Điểm làm việc cực đại

Xét một đường đặc trưng VA của pin mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu các cực của pin mặt Trời được nối với tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đăc trưng VA của pin mặt Trời và đường đặc trưng của tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin mặt Trời Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt Trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có độ nghiêng α đối với trục OV và tgα = 1/R (trên hình 1-8), (theo định luật Ohm ta có I = V/R) Trong trường hợp này, công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở R

Trong tọa độ OIV, công suất pin mặt Trời cấp cho tải R bằng diện tích hình chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc Với các giá trị R khác nhau, các điểm làm việc sẽ khác nhau và do đó tải tiêu thụ cũng khác nhau Tồn tại một giá trị R=ROPT mà tại đó công suất tải tiêu thụ là cực đại Điểm làm việc ứng với công suất cực đại, điểm A trên hình 1-8, là điểm tiếp xúc giữa đường đặc trưng VA của pin mặt Trời và đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV = const là các đường hypecbol)

Hình 1-8 : Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại

Giá trị của điện trở tải tối ưu ROPT được xác định từ các thế và dòng của nó theođịnh luật Ohm:

Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:

 Nếu điện trở tải nhỏ, R << ROPT, pin mặt trời làm việc trong miền MN là miền

mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng đoản mạch ISC

 Nếu điện trở tải R lớn, R >> ROPT, pin mặt Trời làm việc trong miền PS với hiệu điện thế gần như không đổi và bằng thế hở mạch VOC

Ta thấy rằng pin mặt Trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị lân cận ROPT Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì điểm làm việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi Ngoài ra bức xạ mặt Trời và nhiệt độ của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc trưng VA của pin mặt Trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc tối ưu

Công suất đỉnh là công suất ra cực đại của pin mặt trời dưới điều kiện cường độ bức

xạ và nhiệt độ nhất định Thường được tính dưới điều kiện thử nghiệm chuẩn ( STC : Standard Test Condition) là cường độ bức xạ 1000W/m2 và nhiệt độ 250C

Công suất đỉnh thường được đo bằng Wp (Watt peak), để chỉ ra giá công suất đỉnh ở điều kiện phòng thí nghiệm, giá trị này rất khó đạt được dưới điều kiện hoạt động thực

tế

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng

Hiệu suất chuyển đổi quang năng là tỉ lệ phần trăm năng lượng photon đã chuyển hóa thành điện năng khi pin được nối với tải trên năng lượng photon thu vào

(1.6) Với:

E (W/m2) : cường độ bức xạ tới

A (m²) : diện tích bề mặt của pin

Thừa số lấp đầy FF (Fill Factor)

Thừa số lấp đầy là tỉ số giữa công suất cực đại với tích của thế mạch hở VOC và dòng ngắn mạch ISC

độc lập

- Hệ thống điện mặt trời nối lưới: điện năng một chiều từ dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng điện xoay chiều và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp Công nghệ này được sử dụng phổ biến ở các nước phát triển như: Mỹ, Nhật Bản, Pháp, Đức… Ưu điểm của loại nguồn này là không phải dùng bộ trữ điện năng, là một thành phần chiếm tỷ trọng chi phí lớn, tuy nhiên hệ thống phải được chăm sóc bảo dưỡng phức tạp và gây ô nhiễm môi trường

- Hệ thống điện mặt trời độc lập : điện năng từ pin mặt trời có thể được biến đổi thành điện xoay chiều cung cấp trực tiếp cho các phụ tải độc lập hoặc có thể được lưu trữ ở các ắc quy để dùng lúc cần thiết Hệ thống này thường được dùng ở những nơi không có lưới điện, hoặc sử dụng ở quy mô nhỏ như trong các hộ gia đình

Trong một hệ thống điện mặt trời dù là độc lập hay nối lưới đều cần phải có bộ nghịch lưu để biến điện một chiều từ các tấm pin mặt trời thành điện xoay chiều, vì đa

số các phụ tải đều dùng điện xoay chiều như tivi, bóng huỳnh quang, máy quạt… Trong

đề tài này chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu thiết kế bộ micro-inverter với chức năng nghịch lưu có thể hoạt động được ở cả hai hệ thống điện mặt trời độc lập và nối lưới

những chiếc đèn sạc bằng năng lượng mặt trời ở các ngôi làng chưa có điện lưới ở Châu Phi, tới những bộ điện mặt trời quy mô hộ gia đình ở Bangladesh, hay những trang trại điện mặt trời rộng hàng ngàn mét vuông ở Đức

Tính cho tới thời điểm đầu năm 2011, cả thế giới đã có tới gần 40GW điện sản xuất

từ năng lượng mặt trời.Trong đó, công suất lắp đặt mới năm 2010 là 16.6GW, nước Đức đóng góp gần 50% lượng điện sản xuất ra từ năng lượng mặt trời năm 2010, bằng một nửa nhu cầu điện năng của cả nước ta

Trong vòng 5 năm qua, công suất lắp đặt điện mặt trời đã tăng một cách ngoạn mục nhờ những nỗ lực về chính sách nghiên cứu phát triển, hỗ trợ công nghiệp và đặc biệt là chính sách biểu giá FIT, hỗ trợ điện từ năng lượng mặt trời Bình quân mỗi năm công suất lắp đặt tăng 50%, trong vòng 5 năm trở lại đây Năm 2008, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời đạt 16GW, chỉ một năm sau đã tăng lên tới 22GW và năm 2010 đạt xấp xỉ 40GW

Trong đó Châu Âu chiếm tới 75% sản lượng điện từ năng lượng mặt trời Trung Quốc cũng là một thị trường mới nổi nhờ sự đầu tư lớn vào ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời cũng như chính sách trợ giá cho người tiêu dùng Năm 2011 đánh dấu 1GW công suất lắp đặt đầu tiên của nước này Ba khu vực sản xuất điện mặt trời chính của thế giới là EU, Asia Pacific (Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Úc, Đài Loan, Thái Lan) , và Bắc Mỹ

Xu hướng hiện nay trên thế giới là phân tán các nguồn cung năng lượng quy mô lớn,

và nhờ đó, điện mặt trời có chỗ đứng với công suất cho một nhà máy ngày càng tăng Theo khảo sát của PVR Partners (http://www.pvresource.com), thì một phần tư công suất lắp đặt mới năm 2010 là cho các hệ thống lớn từ 500kWp trở lên

Nhờ những nỗ lực trong nghiên cứu đưa hiệu suất pin tăng lên (tới 40% theo kết quả của NREL), hay từ 16-20% cho các loại pin tinh thể Silic thông thường Đây là 1 động lực lớn góp phần tăng tính cạnh tranh cho điện mặt trời nhờ giảm được nhược điểm về diện tích lắp đặt và giá thành của pin mặt trời

Dự án lớn nhất thế giới về xây dựng nhà máy PV tại sa mạc Sahara với công suất 100GW, cung cấp cho nhu cầu 15% năng lượng của châu Âu, dự kiến hoàn thành vào năm 2050 với sự tham gia của 12 tập đoàn lớn trên thế giới với giá trị dự án lên đến 555

tỷ USD (http://inhabitat.com/ginormous-saharan-renewable-project-moving-forward)

Một số dự án điện mặt trời trên thế giới

5 Nhà máy điện mặt trời Parque Fotovoltaico

8 Nhà máy điện mặt trời Copper Mountain

1.5 Điện mặt trời tại Việt Nam

1.5.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam thuộc vùng có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng dao động từ1600-2600giờ/năm, (trung bình xấp xỉ 5kwh/m2/ngày), được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt là tại khu vực miền Trung

và miền Nam Theo các nhà chuyên môn thì trong tương lai, nhu cầu sử dụng các thiết

bị chạy bằng năng lượng mặt trời ở nước ta là rất lớn, kể cả khu vực thành thị cũng như khu vực nông thôn Pin mặt trời vừa có thể thay thế cho thuỷ điện nhỏ khi mùa hanh khô, vừa có thể là nguồn năng lượng dự trữ khi điện lưới quốc gia không đủ cung cấp cho người dân

Ngay từ những năm 80-90 của thế kỷ XX, Việt Nam cũng đã bắt đầu có những chương trình cấp Nhà nước về năng lượng tái tạo do một số đơn vị tham gia Tuy nhiên

từ đó đến nay, các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng trong lĩnh vực này vẫn chỉ dừng ở hình thức nhỏ lẻ, mang tính chất tự phát và cảm tính, chưa có sản phẩm được chuyển giao công nghệ để sản xuất với quy mô công nghiệp Theo báo cáo tại Hội thảo về hoạt động nghiên cứu ứng dụng năng lượng mới & tái tạo ở Việt Nam thì ở nước ta cũng đã nghiên cứu và ứng dụng được một số nguồn năng lượng như: nghiên cứu ứng dụng công nghệ pin mặt trời cung cấp điện cho các khu vực nông thôn, miền núi và những nơi chưa có điện; nhiệt mặt trời chủ yếu để sản xuất nước nóng, nước sạch, chưng cất nước mắm, sấy sản phẩm công nghiệp, v.v Hiện nay, ở Việt Nam cũng đang thực hiện một số dự án như: Chương trình hành động năng lượng mới, xây dựng kế hoạch phát triển ứng dụng năng lượng mới & tái tạo do Ngân hàng thế giới tài trợ Ngoài ra, Bộ công thương đang đang xây dựng đề án lộ trình phát triển lưới điện thông minh, trong

đó điện mặt trời đóng vài trò nguồn phân tán quan trọng cần được tích hợp vào lưới điện

1.5.2 Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam

Tuy tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam là rất lớn nhưng do chi phí phát triển điện mặt trời hiện nay còn khá cao nên các dự án điện mặt trời ở Việt Nam chủ yếu có quy

mô nhỏ lẻ và mang tính chất thử nghiệm Các dự án điện mặt trời này thường là các hệ thống điện mặt trời độc lập cung cấp điện cho các khu vực mà lưới điện quốc gia chưa thể vươn tới như các vùng núi, vùng xa vùng xôi, hải đảo Các dự án điện mặt trời tiêu biểu có thể kể đến như :

- Dự án điện mặt trời trên đảo Cù Lao Chàm – Quảng Nam với 166 tấm pin mặt trời tổng công suất 28 kWp

- Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình Tổng công suất 154KW

- Dự án tại Xã Thượng Trạch, Bố Trạch, Quảng Bình Công suất 11kWp

- Hệ thống điện mặt trời cung cấp điện cho quần đảo Trường Sa

Bên cạnh những dự án điện mặt trời độc lập kể trên, các hệ thống điện mặt trời nối lưới cũng bắt đầu xuất hiện ở Việt Nam, tiêu biểu là hệ thống điện mặt trời trên nóc tòa nhà bộ công thương với công suất 12kW Dự án này với mục tiêu trình diễn công nghệ

là chính, nhưng nó cũng cho thấy sự hiệu quả của mình

CHƯƠNG II Nguyên lý hoạt động và cấu trúc của hệ thống Micro Inverter

2.1 Giới thiê ̣u chung về bô ̣ inverter của hê ̣ thống năng lươ ̣ng mă ̣t trời

Mô ̣t bô ̣ inverter là mô ̣t thiết bi ̣ điê ̣n thay đổi dòng đi ện một chiều (DC) thành dòng điê ̣n xoay chiều, có thể chuyển đổi dòng điện xoay chiều tới bất kì điện áp và tần số nào với viê ̣c sử du ̣ng các máy biến áp thích hợp, bô ̣ chuyển đổi và các bô ̣ điều khiển

Bô ̣ inverter của hê ̣ thống năng lượng mă ̣t trời có thể chia thành 2 loại chính :

 Bô ̣ inverter trung tâm (central inverter)

 Bô ̣ micro-inverter

2.1.1 Bô ̣ inverter trung tâm

Mô ̣t bô ̣ inverter trung tâm có thể chuyển đổi giá tri ̣ của dòng điê ̣n mô ̣t chiều ở đầu ra của pin quang điện thành dòng điện xoay chiều có tần số ứng dụng có thể đưa vào mạng điê ̣n thương ma ̣i hoă ̣c sử du ̣ng ở mô ̣t đi ̣a phương , nơi chưa có ma ̣ng lưới điê ̣n Nó là

mô ̣t thành phần quan tro ̣ng trong mô ̣t hê ̣ thống quan g điê ̣n, cho phép sử du ̣ng các thiết

bị gia dụng thương mại thông thường Bô ̣ inverter trung tâm có chức năng đă ̣c biê ̣t phù

hơ ̣p cho viê ̣c sử du ̣ng trong mảng quang điê ̣n ,bao gồm theo dõi các điểm công suất đỉnh và viê ̣c bảo vê ̣ anti-islanding

Hình 2-1 A central solar inverter

2.1.2 Bô ̣ Micro-inverter

Mô ̣t bô ̣ micro-inverter chuyển đổi dòng điê ̣n mô ̣t chiều thành dòng xoay chiều trên

mô ̣t tấm pin mă ̣t trời duy nhất Dòng điên từ nhiều bô ̣ micro-inverter được kết hợp và đươ ̣c đưa vào lưới điê ̣n hiê ̣n có Nó tương phản với bộ inverter trung tâm , có thể kết

hơ ̣p được nhiều tấm pin năng lượng mă ̣t trời

Hình 2-2 solar micro-inverter

2.1.3 So sa ́ nh ưu nhược điểm của bô ̣ micro-inverter so với inverter trung tâm

Micro-inverter có nhiều lợi thế hơn các bô ̣ inverter trung tâm thông thường khác Các

lơ ̣i thế chính là , ngay cả mô ̣t lượng nhỏ các vê ̣ t đen, các mảnh vụn thậm chí có thể là tuyết ở trên bất kì mô ̣t tấm n ăng lượng mặt trời nào , hay mô ̣t tấm bi ̣ lỗi , thì đều không

a Cấu hình kết nối kiểu central inverter

gồm nhiều panel solar mắc nối tiếp, song

song và nố i với một inverter duy nhất

Lướ i điệ n

Lướ i điệ n

b Cấu hình cải tiến của central inverter bằng cách giả m bớt số cells cho mỗi inverter

Lướ i điệ n

c Cấu hình kết nối kiểu micro-inverter:

mỗi inverter chỉ kết nối duy nhất một panel đơn.

ảnh hưởng nhiều lắm đến công suất một mảng Mỗi bô ̣ micro -inverter đa ̣t được công suất tối ưu bằng cách thực hiê ̣n tim kiếm điểm công suất đỉnh (MPPT) cho các tấm pin năng lươ ̣ng mặt trời đã kết nối của nó

Nhươ ̣c điểm chính của nó là nó có mô ̣t chi phí thiết bi ̣ ban đầu trên mỗi watt cao hơn

so với bô ̣ inverter trung tâm , và thường đặt gần các tấm pin năng lượng , nơi có thể khó khăn hơn trong viê ̣c bảo trì Nhưng những vấn đề đó có thể giải quyết được bởi micro-inverter có đô ̣ bền cao hơn nhiều và cài đă ̣t ban đầu cũng rất đơn giản

Mô ̣t phát triển gần đây là micro -inverter có thể chấp nhâ ̣n đầu vào DC từ hai tấm pin năng lượng mă ̣t trời, chứ không phải mô ̣t và vi ệc tối ưu công suất đỉnh được thực hiê ̣n

đô ̣c lâ ̣p trên mỗi tấm panel Điều này làm giảm chi phí thiết bi ̣ cho bộ micro -inverter

* Khả năng ứng dụng Micro-inverter tại Việt Nam

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo 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)

Tiềm năng ứng dụng điện mặt trời trong tương lai tại Việt Nam là rất lớn Tuy nhiên hầu hết các dự án kể trên khi triển khai chỉ tập trung tại các hải đảo, vùng sâu, vùng xa không có lưới điện quốc gia Vì vậy bộ biến đổi pin quang điện ở đây chỉ là loại không kết nối lưới (off grid) và hầu hết các thiết bị được nhập ngoại và được tài trợ bởi các tổ chức quốc tế

Hiện nay một số nước ở châu Âu, Mỹ đã triển khai lưới điện thông minh (smart grid), trong đó cho phép các bộ solar inverter được kết nối lưới (grid connected solar inverter) Đây là mô hình áp dụng rất tiềm năng ở nước ta trong tương lai Vì vậy đề tài nghiên cứu, thiết kế chế tạo micro inverter ứng dụng cho một số sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam là đề tài có tính thiết thực cao không những đáp ứng cho các nhu cầu sản xuất điện mặt trời tập trung mà còn phù hợp cho các đối tượng hộ gia đình với không gian nhỏ hẹp, dễ bị che lấp ánh sáng mặt trời

2.2 Cấu ta ̣o chung về bô ̣ micro-inverter

Cấu ta ̣o bô ̣ micro-inverter có thể chia thành các phần chính sau:

 Inverter

Các bộ nghịch lưu được phân thành 2 loại:

 Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều

 Bộ nghịch lưu dòng được cung cấp từ dòng một chiều

Điện áp hoặc dòng điện của bộ nghịch lưu áp hay nghịch lưu dòng được tạo nên từ một sóng trong một nửa chu kì gọi là bộ nghịch lưu được điều khiển toàn sóng Do sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất và phương pháp điều khiển, người ta thường sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung PWM mỗi nửa chu kì được tạo nên từ nhiều xung có độ rộng thích hợp, nhờ đó dễ dàng lọc điện áp và dòng điện ra Vì thế để bắt đầu nghiên cứu cần nghiên cứu sự làm việc với điều khiển toàn sóng và làm

cơ sở so sánh với sự làm việc với điều biến độ rộng xung

Đối với hệ thống năng lượng điện mặt trời chúng ta có thể sử dụng được các loa ̣i:

 Bộ nghịch lưu phân áp vào điện dung (gọi là bộ nghịch lưu bán cầu)

Inverter DC-DC

a) Bộ nghi ̣ch lưu bán cầu một pha

Sơ đồ bô ̣ nghi ̣ch lưu mô ̣t pha dung hai transistor được trình bày trên hình H 2-3

T1 và T2 là hai transistor công suất Điê ̣n áp tải ký hiê ̣u là u, dòng tải kí hiệu là i

Trường hơ ̣p tải L + R , cô ̣ng hưởng nối tiếp

Hình 2-3 Bô ̣ nghi ̣ch lưu mô ̣t pha dùng hai transistor, tải L + R + C cô ̣ng hưởng nối

tiếp

Vì mạch tải có điện cảm nên trong sơ đồ có th êm diôt D 1 và D 2 đấu song song ngươ ̣c với T1 và T2 tương ứng, nhằm ngăn ngừa điê ̣n áp quá lớn xuất hiê ̣n giữa các cực của transistor, do L di

dt gây ra khi cắt dòng tải

Hoạt động của sơ đồ

Giả thiết ở chế độ xác lập, T2 đang dẫn dòng, dòng điện tải là i đang chảy theo mạch

M - M1 – T2 – N – M

Nếu khi t = 0, i = - Im, ta cắt xung điều khiển đă ̣t ở B 2 và tác động xung điều khiển

đă ̣t vào B1, kết quả s ẽ là T 2 bị khóa lại , T1 vẫn ta ̣m thời ở tra ̣ng thái khóa vì dòng tải không thể đảo chiều đô ̣t ngô ̣t , nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch M – M 1– D1 – P - M

Diot D1 làm ngắn mạch T1 nên transistor nãy vẫn ở tra ̣ng t hái khóa Khi t – t1 là lúc i=0, D1 thôi dẫn dòng , T1 bắt đầu dẫn dòng Bây giờ dòng điê ̣n tải đảo chiều và chảy theo ma ̣ch M1 – M – P – T1 – M1

b) Bộ nghi ̣ch lưu cầu một pha

Sơ đồ bô ̣ nghi ̣ch lưu cầu mô ̣t pha ở hình H 2.4 gồm bốn tiristor, bố trí theo kiểu cầu , từng că ̣p tiristor T1 và T3, T2 và T4 được điều khiển mở mô ̣t cách chu kỳ

Hình 2-4 Bô ̣ nghi ̣ch lưu cầu mô ̣t pha nguồn áp Trên hình không trình bày các phần tử chuyển ma ̣ch (sẽ trình bày cụ th ể ở phần sau), lúc này ta thừa nhận rằng, khi cho xung mở T 1 thì T4 bị khóa lại và ngược lại , khi cho xung mở T2 thì T3 bị khóa lại, và ngược lại

Các diot D1, D2, D3, D4 đấu song song ngược với các tiristor tương ứng, là cần thiết khi tải mang tính cảm kháng

Từ mô ̣t nguồn điê ̣n mô ̣t chiều E , sơ đồ cho phép ta ̣o ra trên tải mô ̣t điê ̣n áp “hình sin

chữ nhâ ̣t” có tần số biến đổi được

Hình 2-5 Biểu đồ da ̣ng sóng

T2

T4

Hoạt động của sơ đồ

Giả thiết T2 và T4 đang cho dòng chảy qua (dòng tải đi từ B đến A ) Khi t=0, cho xung mở T1 và T3; T2 và T4 bị khóa lại (do thiết bi ̣ chuyển ma ̣ch thực hiê ̣n) DòÒng tải

i = -Im không thể đảo chiều mô ̣t cách đô ̣t ngô ̣t Nó tiếp tục chảy theo ch iều cũ nhưng theo ma ̣ch D1 – E – D3 – tải – D1 và suy giảm dần D1 và D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa ki ̣p mở đã bi ̣ khóa la ̣i Điê ̣n áp trên tải là U=E

Khi t = t1 , i=0, D1 và D3 bị khóa lại , T1 và T3 sẽ mở lại nếu còn xung điề u khiển tác động ở các cực G1 và G3, dòng tải i > 0 và tăng trưởng, chảy theo chiều từ A đến B Giai đoa ̣n từ t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng

Khi t=T/2 cho xung mở T 2 và T4; T1 và T3 bị khóa lại Dòng tải I chảy qu a D2 và D4 khiến cho T2 và T4 vừa ki ̣p mở đã bi ̣ khóa la ̣i Khi t=t3, i = 0, T2 và t4 sẽ mở lại i <

0 chảy theo chiều từ B đến A ,… Dòng tải i biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và – Im Các xung điều khiển tiristor thường là xung chùm Để mở các tiristor T1 và T3 người ta phát xung chùm trong khoảng từ 0 đến t2 Để mở các tiristor T 2 và T4 người ta phát xung chùm trong khoảng t2 đến t4

So sánh bô ̣ nghi ̣ch lưu bán cầu và bô ̣ nghi ̣ch lưu cầu bằng nguồn áp

Khi sử du ̣ng bô ̣ nghi ̣ch lưu cầu ta có thể loa ̣i bỏ được điểm giữa phía cửa ra hoă ̣c cửa vào, ngoài ra có thể thay đổi tỷ số điện áp ra xoay chiều và điện áp vào một chiều

Người ta điều chỉnh điê ̣n áp ra của bô ̣ nghi ̣ch lưu cầu bằng cách kích mở lê ̣ch tiristor cùng cặp, ví dụ T1 và T4 được mở trước T3 và T2 tương ứng, mô ̣t góc β Như vâ ̣y điê ̣n

áp tải sẽ có 1 khoảng bằng 0

Điê ̣n áp da ̣ng này được go ̣i là điê ̣n áp “hình sin gần chữ nhâ ̣t”

c) Điều biến độ rộng xung sin hóa

Để giảm sóng hài bâ ̣c thấp chúng ta có thể sử du ̣ng phương pháp điều biến đô ̣ rô ̣ng xung

Thiết bị biến tần trình bày ở trên chỉ tạo được điện áp hình sin chữ nhật hoặc gần chữ nhật, chứa nhiều sóng hài Muốn giảm nhỏ ảnh hưởng của sóng hài người ta có thể dùng bộ lọc, và như vậy trọng lượng và giá thành của thiết bị biến tần sẽ cao.Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh được điện áp ra mà vẫn giảm nhỏ được ảnh hưởng của sóng hài bậc thấp Biện pháp điều biến độ rộng xung nhằm đáp ứng yêu cầu trên Nội dung chính của biện pháp này như sau:

 Tạo một sóng dạng hình sin um ,ta gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tần số mong muốn

 Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định up ta gọi là sóng mang, có tần số lớn hơn nhều (thường là bội ba) tần số của sóng điều biến Dùng một khâu so sánh để

so sánh um và up Các giao điểm của 2 sóng này xác định khoảng tác động của xung điều khiển các khóa điện tử

 Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, kí hiệu là ma, được gọi là

tỉ số điều biến, ma=Am/Ap (ma ≤ 1) Điều chỉnh Am cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung Khi ma =1 thì điện áp ra tải có biên độ lớn nhất Muốn giảm nhỏ điện áp

ra, ta giảm nhỏ Am

Người ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại :

 Điều biến độ rộng xung đơn cực : điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và +E trong nửa chu kì dương và 0 và –E trong nửa chu kì

âm Nguyên tắc điều biến độ rộng xung bằng phương pháp này được mô tả bởi bảng sau

Hình 2-6: Điều biến độ rộng xung sin hóa đơn cực

 Điều biến độ rộng xung lưỡng cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau có trị số +E và –E Nguyên tắc đóng cắt các khóa mô tả bởi bảng dưới

Hình 2-7: Điều biến độ rộng xung sin hóa lưỡng cực

So sánh hai kỹ thuật PWM :

- PWM đơn cực: trong kỹ thuật này điện áp ngõ ra ở mức +E và 0 trong nửa chu kỳ đầu và –E và 0 trong nửa chu kỳ sau, vì vậy sóng hài của điện áp ngõ ra trong phương pháp này nhỏ Đồng thời dòng điện cũng không bị đảo chiều trong ½ chu

kỳ hoạt động

- PWM lưỡng cực: trong kỹ thuật này điện áp ngõ ra luôn thay đổi từ +E sang –E trong suốt chu kỳ hoạt động Vì vậy mà điện áp ngõ ra có nhiều sóng hài hơn,

đồng thời dòng điện cũng có thể bị thay đổi trong ½ chu kỳ hoạt động

- Từ các phân tích trên, trong đồ án này tôi chọn kỹ thuật điều biến độ rộng xung đơn cực do điện áp ngõ ra có sóng hài thấp nên dễ lọc để tạo ra điện áp hình sin chuẩn

2.2.2 Bô ̣ lo ̣c (Filter)

Bô ̣ lo ̣c LCL có thể làm suy giảm sóng hài của dòng điê ̣n xung quanh tần số chuyển mạch bằng cách sử dụng cuộn cảm nh ỏ nhỏ hơn bộ lọc L Hơn nữa hê ̣ thống sử dụng bô ̣ lọc LCL sẽ không phụ thuộc vào trở kháng của lưới và có kết quả đầu ra tốt hơn khi so sánh với bộ lọc LC Thứ nhất viê ̣c thiết kế phân tích đầu ra của một bộ lọc LCL cho

mô ̣t hê ̣ thống nghi ̣ch lưu mô ̣t pha nối lưới của pin quang điê ̣n được trình bày trong bài báo này Phân tích lý thuyết so sánh giữa thiết kế và kết quả của bộ lọc LCL với bộ lọc

L và bô ̣ lo ̣c LC để xác nhâ ̣n các lý thuyết phân tích và hiê ̣u quả của các bô ̣ lo ̣c

Giới thiê ̣u:

Để loa ̣i bỏ được các sóng hài của dòng điê ̣n xung quanh tần số chuyển ma ̣ch và thực hiê ̣n theo tiêu chuẩn (IEEE 1547) bô ̣ nghi ̣ch lưu nối lưới điê ̣n cho nguồn năng lượng tái tạo đòi hỏi cần có mô ̣t bô ̣ lo ̣c thông thấp để kết nối với lưới điê ̣n Bộ lọc thông thấp lý tưởng với tấn số cắt thấp và suy giảm tần số cao , cho phép loại bỏ hiện tượng gợn sóng của sự chuyển mạch ở tần số cao

Tuy nhiên viê ̣c thi ết kế bộ lọc cần phải được cân nhắc lựa chọn khi xem xét sự mất mát, hiê ̣u quả của sự chuyển ma ̣ch và trên cơ sở sự sụt điê ̣n áp

Trong các tài liê ̣u, bô ̣ lo ̣c L, bô ̣ lo ̣c LC, bô ̣ lo ̣c LCL đã được đề xuất thiết kế có những

đă ̣c tính sau đây:

Thứ nhất, mă ̣c dù làm mô ̣t cuô ̣n cảm duy nhất bô ̣ lo ̣c L vẫn thường được sử du ̣ng phổ biến và nó đơn giản , nó có sự suy giảm thấp và giá trị điện cảm cao Sự su ̣t giảm hiê ̣u điê ̣n thế trên các cuô ̣n cảm là m cho tính năng đô ̣ng của hê ̣ thống kém đi , do đó gây ra

mô ̣t đáp ứng có thời gian dài Bằng cách sử du ̣ng bô ̣ lo ̣c L , tần số chuyển ma ̣ch của bô ̣ nghịch lưu phải có một giá trị cao để đủ làm suy hao các sóng hài

Thứ hai, kể từ khi bô ̣ lo ̣c L đa ̣t được sự suy giảm thấp các thành phần chuyển ma ̣ch của bộ nghịch lưu, mô ̣t yếu tố shunt là cần thiết để tiếp tục làm suy giảm các thành phần tần số chuyển đổi Mô ̣t tụ điê ̣n được cho ̣n để sản xuất ra mô ̣t điê ̣n kháng thấp ở tần số chuyển đổi và thể hiê ̣n trở kháng cường đô ̣ cao trong dải tần số điều khiển

Bô ̣ lo ̣c LC phù hợp với cấu hình khi mà trở kháng của tải trên tu ̣ điê ̣n là tương đối cao và cao hơn tần số chuyể n ma ̣ch Để giảm tổn thất và chi phí , thì điện dung của tụ điê ̣n cao và sau đó điê ̣n cảm có thể giảm Tuy nhiên mô ̣t điê ̣n dung rất cao không được khuyến khích khi mà hê ̣ thống có thể phả i đối mă ̣t vớ i dòng khởi động , dòng điện có

rên tụ điê ̣n có tần số cơ bản, hiê ̣n tượng cô ̣ng hưởng có thể

ở phía lưới,…Nếu mô ̣t hê ̣ thống được kết nối với lưới điê ̣n thông qua bô ̣ lo ̣c LC, các tần số cô ̣ng hưởng thay đổi theo thời gian khi các giá tri ̣ điê ̣n cảm của lưới điê ̣n thay đổi Thứ ba, so sánh với cấu trúc liên kết của các bô ̣ lo ̣c trước , bô ̣ lo ̣c LCL cho kết quả suy giảm tốt hơn ở tần số chuyển ma ̣ch của bô ̣ nghi ̣ch lưu Bô ̣ lo ̣c LC L có thể cung cấp

mô ̣t sự cách ly tốt hơn giữa bô ̣ lo ̣c và trở kháng lưới Bô ̣ lo ̣c LCL có thể cung cấp mô ̣t

tỷ lệ suy giảm tốt ngay cả với giá tri ̣ L và C nhỏ Tuy nhiên bô ̣ lo ̣c LCL cần phải xem xét các khó khăn khác nhau trong khi thiết kế , chẳng hạn như hiện tượng cộng hưởng , các gợn sóng của dòng điện thông qua cảm ứng, tổng trở kháng của bô ̣ lo ̣c, sự suy giảm dòng điện ở tần số chuyển mạch và năng lượng phản ứng hấp thụ bởi tụ điện

Trong phần này sẽ phân tích và thiết kế bộ lọc LCL , so sánh giữa các thiết kế bô ̣ lo ̣c LCL với bô ̣ lo ̣c L và bô ̣ lo ̣c LC dựa trên hê ̣ thống nghi ̣ch lưu của pin quang điê ̣n

Phân tích bô ̣ lo ̣c LCL

Sơ đồ ma ̣ch tương đương của bô ̣ lo ̣c LCL được hiển thi ̣ ở hình H2.8

Dựa trên sơ đồ ma ̣ch của bô ̣ lo ̣c LCL ta thấy :V1 và V2 là điện áp nghịch lưu và điện

áp lưới, L1, L2, R1, R2, là giá trị cuộn và điện trở tương đương của bộ lọc bên phía bộ nghịch lưu và lưới điện tương ứng, mô ̣t điện trở hãm R3 nối tiếp với tụ điê ̣n Cf

Dựa trên mô hình tương đương với bô ̣ lo ̣c LCL ta có hàm truyền của bô ̣ lo ̣c LCL

đươ ̣c ta ̣o bởi sự phản hồi thông tin của dòng điê ̣n nghi ̣ch lưu có thể được bắt nguồn

bằng cách giả thiết rằng giá tri ̣ R1 và R2 là đủ nhỏ và có thể bỏ qua được :

Hình 2-8 (a) Sơ đồ ma ̣ch tương đương và mô hình (b) của bộ lọc LCL

Các bước thiết kế chính của bô ̣ lo ̣c LCL được trình bày tóm tắt trong hình dưới đây

Có một số giới hạn trên các giá trị tham số như:

 Tổng số giá tri ̣ của các điê ̣n cảm nên nhỏ hơn 0.1 (p.u) bởi vì nó là kết quả của sự sụt điện áp AC trong suốt quá trình hoạt động Nếu không, mô ̣t dòng điê ̣n áp DC cao hơn sẽ được yêu cầu và điều này dẫn đến tổn thất chuyển ma ̣ch cao hơn

 Điê ̣n dung được giới ha ̣n bởi các yếu tố công suất phản kháng (yếu tố này thường

là ít hơn 5%)

 Tần số cô ̣ng hưởng là trong pha ̣m vi 10 0

2

sw res



hưởng 0là tần số hiệu dụng (rad/s), res là tần số cộng hưởng (rad/s), sw là

tần số chuyển đổi (rad/s)

Hình 2-9: Sơ đồ ma ̣ch bô ̣ lo ̣c LCL

2.2.3 Bô ̣ tăng áp DC-DC converter

Trong sản xuất công nghiê ̣p , các bộ nghịch lưu được sử dụng rộng rãi trong điều khiển đô ̣ng cơ điê ̣n xoay chiều, bô ̣ lưu điê ̣n, xe điê ̣n… Tuy nhiên bô ̣ nghi ̣ch lưu truyền thống có ha ̣n chế đó là điê ̣n áp xoay chiều ngõ ra không thể lớn hơn điê ̣n áp nguồn mô ̣t chiều cung cấp hay nói cách khác nó chỉ thể hiê ̣n là bô ̣ nghi ̣ch lưu giảm áp Đối với

những nguồn năng lượng mới , năng lượng tái ta ̣o như pin mă ̣t trời , pin nhiên liê ̣u… điê ̣n áp ngõ ra của các da ̣ng năng lượng này là điê ̣n áp một chiều có giá tri ̣ điê ̣n áp thấp, không ổn đi ̣nh, phụ thuộc theo thời gian, môi trường làm viê ̣c Sử dụng các nguồn năng lươ ̣ng tái ta ̣o này để chuyển đổi thành lưới điê ̣n xoay chiều 220V/380V, đòi hỏi điê ̣n áp

1 chiều trước khi đưa vào bô ̣ nghi ̣ch lưu phải có giá tri ̣ lớn hơn 310Vdc (giá trị điện áp đỉnh của 220Vac) Điê ̣n áp 1 chiều có giá tri ̣ lớn có thể thực hiê ̣n bằng cách mắc nối tiếp các tấm pin điê ̣n áp thấp với nhau , đồng nghĩa với số lượng pin phải nhiều , lắp đă ̣t trên diê ̣n tích rô ̣ng lớn Điều này chỉ thích hợp với hệ thống công suất lớn, với những hê ̣ thống công suất nhỏ, để tạo ra điện xoay chiều 220V/380V từ nguồn điê ̣n áp thấp người

ta thường dùng :

 Máy biến áp tần số thấp (50Hz) để tăng điện áp xoay chiều ngõ ra

 Bô ̣ tăng áp mô ̣t chiều (DC-DC boost converter)

a) Máy biến áp tần số thấp

Hình dưới minh họa bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số thấp

Hình Hình 2-10 Sơ đồ khối của bô ̣ nghi ̣ch lưu sử dụng máy biến áp

Mỗi tấm pin mă ̣t tr ời có điện áp đầu ra khoảng từ 13V – 36V (tùy thuộc vào môi trường và điều kiê ̣n làm viê ̣c ) Điê ̣n áp này sau khi đi qua bô ̣ nghi ̣ch lưu sẽ giảm đi mô ̣t

ít Sau đó người ta dung máy biến áp 50Hz để nâng mức điê ̣n áp lên theo yêu c ầu phía tải

Đối với phương pháp sử dụng máy biến áp tần số thấp có ưu điển là nó có thể cách ly

bô ̣ nghi ̣ch lưu với lưới điê ̣n phòng khi có sự cố nhưng nhược điểm của nó là cho hiê ̣u quả không cao vì làm tăng kích thướ c, tạo nhiều sóng hài , nhiễu, hiê ̣u suất làm viê ̣c thấp, không ổn đi ̣nh, và giá thành cao nên nó ít được sử dụng

b) Tăng điê ̣n áp bằng phương pháp Boost DC/DC

Hình minh họa bộ tăng áp điện một chiều:

Hình 2-11 Sơ đồ khối bô ̣ nghi ̣ch lưu sử dụng bô ̣ tăng áp mô ̣t chiều

i Giơ ́ i thiê ̣u:

Bô ̣ chuyển đổi DC /DC được sử dụng rô ̣ng rãi trong quy đi ̣nh chuyển đổi chế đô ̣

nguồn cung cấp 1 chiều (DC) Đầu vào của của bộ chuyển đổi là một điện áp D C không kiểm soát, mà là thu được từ một bảng PV và do đó nó sẽ bị dao động do những thay đổi của bức xa ̣ mă ̣t trời và nhiê ̣t đô ̣ Trong những bô ̣ chuyển đổi thì điê ̣n áp đầu ra trung bình phải kiểm soát được và tương đương với giá tri ̣ mong muốn mă ̣c dù đầu vào là mô ̣t hiê ̣u điê ̣n thế thay đổi Từ mô ̣t điểm năng lượng , đầu ra của điê ̣n áp quy đi ̣nh trong bô ̣ chuyển đổi DC/DC đa ̣t được bằng cách liên tục điều chỉnh số lượng năng lượng hấp thụ từ nguồn được bơm vào tải , nó lần lượt điều khiển bởi độ rộng xung tương đối của sự hấp thu ̣ và khoảng thời gian bơm vào Hai quá trình cơ bản của sự hấp thu ̣ và bơm ra năng lươ ̣ng ta ̣o thành mô ̣t chu kì chuyển đổi Bằng trực q uan, nếu khả năng lưu trữ năng lươ ̣ng của bô ̣ chuyển đổi là quá nhỏ hoă ̣c thời kì chuyển đổi là tương đối quá lâu thì sau đó bộ chuyển đổi sẽ truyền tất cả năng lượng được lưu trữ tới tải sau đó bắt đầu chu kỳ tiếp theo Điều này giới thiê ̣u một giai đoa ̣n nhàn rỗi ngay sau khoảng thời gian bơm Trong lúc đó bô ̣ chuyển đổi không thực hiê ̣n bất kì nhiê ̣m vụ cụ thể nào Do đó bộ chuyển đổi có thể hoa ̣t đô ̣ng ở 2 chế đô ̣ khác nhau tùy thuô ̣c vào du ng lượng lưu trữ năng lươ ̣ng và chiều dài tương đối của thời kì chuyển đổi Hai chế đô ̣ này được biết đến như là chế đô ̣ dẫn liên tu ̣c và không liên tu ̣c

Mô hình của bô ̣ chuyển đổi Boost DC /DC được thể hiê ̣n như hình H 2.11 Bô ̣ Boost DC/DC chỉ sử dụng 4 loại linh kiện : cuô ̣n cảm , IGBT, diode và tụ điện Do đó bô ̣ chuyển đổi có thể hoa ̣t đô ̣ng trong hai chế đô ̣ khác nhau tùy thuô ̣c vào dung lượng lưu trữ năng lượng và chiều dài tương đối của thời kì chu yển đổi Hai chế đô ̣ hoa ̣t đô ̣ng đươ ̣c go ̣i là chế đô ̣ dẫn không liên tu ̣c (DCM) và chế độ dẫn liên tục (CCM) tương ứng với viê ̣c có và không có mô ̣t khoảng thời gian nhàn rỗi

ii Chế đô ̣ chuyển đổi

Bô ̣ chuyển đổi DC /DC có hai chế đô ̣, chế đô ̣ truyền dẫn liên tục , CCM cho phép chuyển đổi năng lươ ̣ng hiê ̣u quả và chế đô ̣ truyền dẫn không liên tu ̣c , DCM cho nguồn thấp hoă ̣c ở chế đô ̣ chờ

Trong khi ổn đi ̣nh thì tích phần theo thời gian của điê ̣n áp cuô ̣n cảm phải bằng 0

i on i off

V t  V  V t 

Trong đó :

Vi : Điê ̣n áp đầu vào (V)

V0 : Điê ̣n áp đầu ra trung bình (V)

ton : thời gian IGBT mở (s)

toff : thời gian IGBT đóng (s) Chia cả 2 về cho Ts và sắp xếp lại ta có:

Ts : Thời gian chuyển ma ̣ch (s)

D : Chu kì làm viê ̣c

Hình 2-13 : Sơ đồ ma ̣ch tương đương cho bô ̣ chuyển ma ̣ch Boost DC/DC trong CCM

(a) Chế đô ̣ 1: 0   t ton (b) Chế đô ̣ 2: ton   t Ts

Như vâ ̣y V0 tỷ lệ nghịc với (1-D) Giử sử 1 mạch không bị tổn hao năng lượng , Pi = P0 thì :

Trong đó : I0 : Cường đô ̣ dòng điê ̣n trung bình ở đầu ra

Ii : Cường đô ̣ dòng điện trung bình ở đầu vào

iv Chế đô ̣ truyền dẫn không liên tu ̣c

Nếu dòng điê ̣n đi qua cuô ̣n cảm giảm xuống 0 trước khi IGBT chuyển ma ̣ch thì sau đó bô ̣ chuyển ma ̣ch boost DC /DC được cho là hoa ̣t đô ̣ng ở chế đô ̣ truyền dẫn khô ng liên tu ̣c