Nghiên cứu và thiết kế bộ nguồn cấp cho trạm viễn thông sử dụng năng lượng mặt trời

Ngành công nghiệp viễn thông là một trong những ngành có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong một số năm trở lại đây, việc sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời vào các trạm viễn thông đón

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn: “Nghiên cứu và thiết kế bộ nguồn cấp cho trạm viễn thông sử dụng năng lượng mặt trời” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của

thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường Các số liệu và kết quả chưa từng được công bố

Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh

mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 22 tháng 9 năm 2015

Học viên thực hiện

Vũ Đức Việt

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

LỜI MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG TRẠM VIỄN THÔNG………2

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời……….2

1.1.1 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời……… 2

1.1.2 Nguyên lý hoạt động……… 3

1.2 Các đặc tính làm việc của pin mặt trời……… 5

1.2.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời……… 5

1.2.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời……….8

1.3 Hệ thống pin năng lượng mặt trời……… 11

1.3.1 Hệ PV làm việc độc lập……… 11

1.3.2 Hệ PV làm việc với lưới……… 13

1.4 Bộ nguồn DC/DC trong hệ thống nguồn năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm viễn thông……… 16

1.4.1 Hệ thống nguồn cung cấp điện trong trạm viễn thông……….16

1.4.2 Bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng trong trạm viễn thông……… 18

1.5 Kết luận……… 19

CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN ĐỔI BOOST VÀ THUẬT TOÁN MPPT……… 20

2.1 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Boost……… 20

2.2 Nguyên lý dung hợp tải và thuật toán MPPT……… 23

2.2.1 Giới thiệu chung……… 23

2.2.2 Nguyên lý dung hợp tải……… 25

2.2.3 Thuật toán bám điểm có công suất cực đại MPPT……… 27

2.3 Lựa chọn và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời và bộ biến đổi Boost………… 30

2.3.1 Lựa chọn hệ thống năng lượng mặt trời……… 30

2.3.2 Thiết kế các phần tử mạch Boost……….30

2.4 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Boost và thuật toán MPPT……… 31

2.4.1 Hệ thống PMT và bộ biến đổi Boost……… 31

2.4.2 Hệ thống PMT và bộ biến đổi Boost sử dụng thuật toán MPPT……….34

2.5 Kết luận……… 36

CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC……….37

3.1 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC……… 37

3.1.1 Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi LLC……… 37

3.1.2 Các vùng làm việc của bộ biến đổi LLC……… 39

3.1.3 Nguyên lý hoạt động……… 42

3.2 Thiết kế bộ biến đổi cộng hưởng LLC……….46

3.2.1 Xác định hệ số điện áp lớn nhất và nhỏ nhất……….46

3.2.2 Tính toán các thông số mạch cộng hưởng……… 47

3.2.3 Tính toán chọn máy biến áp……… 48

3.2.4 Tính toán cho mạch chỉnh lưu……… 52

3.2.5 Tính toán chọn tụ cộng hưởng……… 53

3.3 Hệ thống điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng LLC………53

3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng bộ biến đổi cộng hưởng LLC……… 54

3.4 Kết luận……… 57

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……….58 TÀI LIỆU THAM KHẢO……….59 PHỤ LỤC:……… 60

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời……… 2

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời……… 3

Hình 1.3 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1<E2……… 3

Hình 1.4 Các vùng năng lượng……… 4

Hình 1.5 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời………5

Hình 1.6 Sơ đồ tương đương mắc song song, nối tiếp pin mặt trời…… ……….6

Hình 1.7 Mô hình pin mặt trời………8

Hình 1.8 Đặc tính I-V và P-V khi nhiệt độ thay đổi……… 9

Hình 1.9 Đặc tính I-V và P-V khi cường độ bức xạ thay đổi……… 10

Hình 1.10 Cấu trúc của hệ PV làm việc độc lập……… 11

Hình 1.11 Hệ thống PV làm việc nối lưới………13

Hình 1.12 Bộ biến đổi nguồn áp VSI………15

Hình 113 Bộ biến đổi nguồn dòng CSI……….15

Hình 1.14 Hệ thống cung cấp điện cho trạm BTS truyền thống……… 17

Hình 1.15 Hệ thống cung cấp điện cho trạm BTS tích hợp nguồn năng lượng mặt trời 17

Hình 1.16 Cấu trúc nguồn DC/DC sử dụng cho trạm viễn thông……….19

Hình 2.1 Bộ biến đổităng áp Boost ……….20

Hình 2.2 Dạng dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải……….21

Hình 2.3 Mạch tương đương khi van Q1 dẫn và diode D khóa……….21

Hình 2.4 Mạch tương đương khi van Q1 khóa và diode D dẫn……….22

Hình 2.5 Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ thống pin mặt trời…… 23

Hình 2.6 Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải……… 24

Hình 2.7 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải……….24

Hình 2.8 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC……… 25

Hình 2.9 Hệ pin mặt trời với tải quy đổi tương đương Rtd(D,Rt)……….26

Hình 2.10 Góc nghiêng của đặc tính tải tương đương……… 27

Hình 2.11 Pin mặt trời với thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D… 28

Hình 2.12 Mô tả thuật toán P&O điều khiển trực tiếp hệ số điều chế D……… 28

Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển trực tiếp hệ số điều chế D………29

Hình 2.14 Mô hình mô phỏng hệ thống PMT và bộ biến đổi Boost……….32

Hình 2.15 Đồ thị I-V và P-V trong trường hợp không sử dụng thuật toán MMPT…… 32

Hình 2.16 Điên áp đầu ra và điện áp đầu vào bộ biến đổi Boost……… 33

Hình 2.17 Dòng điện chảy qua cuộn cảm……….33

Hình 2.18 Công suất phát ra của PMT……… 33

Hình 2.19 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Boost và thuật toán P&O……… 34

Hình 2.20 Mô hình mô phỏng thuật toán P&O……….34

Hình 2.21 Đặc tính I-V và đặc tính P-V của hệ thống PMT khi sử dụng thuật toán P&O……… 35

Hình 2.22 Điện áp đầu vào và đầu ra bộ biến đổi……….35

Hình 2.23 Dòng điện chảy qua cuộn cảm……….35

Hình 2.24 Công suất phát ra của PMT……… 36

Hình 2.25 Hệ số điều chế D do thuật toán P&O tính toán………36

Hình 3.1.Bộ biến đổi cộng hưởng LLC……… 37

Hình 3.2 Khối cộng hưởng LCC và LLC……….38

Hình 3.3 Cấu trúc bộ biến đổi bên sơ cấp……….38

Hình 3.4 Cấu trúc chỉnh lưu bên thứ cấp……… 39

Hình 3.5 Các vùng làm việc của bộ biến đổi cộng hưởng LLC……… 39

Hình 3.6 Dạng sóng điện áp và dòng điện ở chế độ hoạt động ở vùng 1……….40

Hình 3.8 Dạng sóng dòng điện và điện áp ở chế độ hoạt động vùng 3………42

Hình 3.9 Các vùng thời gian trong nguyên lý hoạt động……… 42

Hình 3.10.Chế độ 1 43

Hình 3.11 Chế độ 2 43

Hình 3.12 Chế độ 3 44

Hình 3.13 Chế độ 4 44

Hình 3.14 Chế độ 5 45

Hình 3.15 Chế độ 6 45

Hình 3.16 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi LLC………46

Hình 3.17 Hệ số khuếch đại lớn nhất, nhỏ nhất……… 46

Hình 3.18 Thiết kế mạch cộng hưởng sử dụng hệ số đỉnh với k=7……… 48

Hình 3.19 Sơ đồ mạch điện tương đương của MBA………49

Hình 3.20 Sơ đồ mạch điện quy đổi của MBA……….50

Hình 3.21 Dải hoạt động của tần số chuyển mạch ứng với các giá trị Mmax và Mmin………52

Hình 3.22 Chọn lõi MBA……….52

Hình 3.23 Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi LLC………54

Hình 3.24 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi LLC……… 55

Hình 3.25 Giá trị điện áp đầu vào bộ biến đổi cộng hưởng LLC……….55

Hình 3.26 Điện áp đầu ra bộ biến đổi LLC……… 56

Hình 3.27 Đáp ứng dòng điện và điện áp chảy qua van……… 56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số pin mặt trời Ks80m-36 đo ở điều kiện chuẩn (cường độ bức xạ mặt

VSI Voltage source inverters Bộ biến đổi nguồn áp

CSI Current source inverter Bộ biến đổi nguồn dòng

CCI Current control inverter Bộ biến đổi đk dòng

VSI Voltagecontrol inverter Bộ biến đổi điều khiển áp

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và gần như vô hạn Việc sử dụng năng lượng mặt trời cho các ngành công nghiệp đang là một nhu cầu cấp thiết nhằm tiết kiệm năng lượng cũng như bảo vệ môi trường Ngành công nghiệp viễn thông là một trong những ngành có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong một số năm trở lại đây, việc

sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời vào các trạm viễn thông đóng một vai trò quan trọng để giảm giá thành và nó đặc biệt có ý nghĩa đối với các trạm viễn thông ở những nơi hẻo lánh mà điện lưới không thể đến được Luận văn này đi nghiên cứu chi tiết một

hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng các bộ biến đổi công suất nhằm ổn định điện áp

đầu ra 48V cung cấp cho các bus DC trong trạm viễn thông Cấu trúc luận văn gồm bốn

chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời trong trạm viễn thông Chương 2: Bộ biến đổi Boost và thuật toán MPPT

Chương 3: Bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Để hoàn thành luận văn này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo

TS Đỗ Mạnh Cường đã dành thời gian tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Hà Nội, ngày 22 tháng 09 năm 2015

Học viên thực hiện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG TRẠM

VIỄN THÔNG

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.1.1 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quan điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p-n, dưới sự tác động 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

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay quanh xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, các thiết bị bớm nước… Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc nhà các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 1.1 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời

Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn tinh thể này có các mặt trống ở góc nối các module

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm

rắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn Tuy

nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể

bù cho hiệu suất thấp của nó

- Dải Silic tạo từ miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silic

Hình 1.3 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1<E2

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu ánh sáng vào hệ

thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số

Phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E1 – E2

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi

là vùng hóa trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là Ec, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng

hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hóa trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như hạt mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 1.4 Các vùng năng lượng

Phương trình hiệu ứng lượng tử:

eV + hv -> e - + h +

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa

trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là:

hv > Eg = Ec – Ev

Suy ra bước sóng giới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:

λc = hc/(Ec-Ev)

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon

hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hặt điễn tử - lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại

N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ

1.2 Các đặc tính làm việc của pin mặt trời

1.2.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

- Khi chiếu ánh sáng vào PMT sẽ sinh ra một dòng quang điện Vì vậy, trước hết PMTcó thể xem tương đương như một nguồn dòng Iph

− Lớp tiếp giáp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một diode (D)

− Đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp giáp p-n tương đương như điện trở shunt (Rsh)

- Đặc trưng cho điện trở của các lớp bán dẫn p-n, các điện cực, là một điện trở nối

tiếp trong mạch có thể coi như nội trở trong của PMT (Rs)

Từ đó, sơ đồ tương đương của pin mặt trời được biểu diễn như hình 1.5

↑

Hình 1.5 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Phương trình đặc trưng I–V của PMT

( )

.R1

S

q V I R

s AkT

- ID : dòng qua diode, [A]

- Ish : dòngqua điện trở shunt, [A]

- Is: dòng bão hòa, [A]

- q : điện tích của electron, q = 1,6.10-19 C

- V: điện áp ra của PMT, [V]

- A: hệ số lý tưởng, A=1,3

- k : hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23 J/K

- T : nhiệt độ của môi trường, [oC]

Mở rộng mô hình với Np,N slần lượt là số tế bào mắc song song, nối tiếp

N p I ph

+

V I

V IRs q

N s N p AkT

- Tr: nhiệt độ tham chiếu, Tr= 25 oC

- Irs : dòng ngược bão hòa ở nhiệt độ Tr

- Voc : điện áp hở mạch ở điều kiện chuẩn, Voc= 22V Dòng bão hòa:

3

1 1

g r

s rs

r

qE

Ak T T T

D

V IRs q

PT (1.5)

PT (1.2)

PT (1.6)

PT (1.7)

PT (1.4)

Hình 1.7 Mô hình pin mặt trời

1.2.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

Các yếu tố tự nhiên như: nhiệt độ,độ ẩm, áp suất khí quyển,cường độ bức xạ mặt trời (BXMT),…ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của PMT,trong đó 2 yếu tốnhiệt độ và cường độ BXMT là ảnh hưởng mạnh hơn cả

a) Xét ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ

Khi nhiệt độ thay đổi theo 3 cấp lần lượt là 25,50,75 0C và cường độ BXMT giữ

cố định λ = 1000 W/m2, các đường đặc tính I-V và P-V được biểu diễn như hình 1.5 bằng cách sử dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng mô hình PMT trên hình 1.4

a) Đặc tính I-V

b) Đặc tính P-V

Hình 1.8 Đặc tính I-V và P-V khi nhiệt độ thay đổi

Hình 1.8a cho thấykhi nhiệt độ tăng thì điện áp hở mạch Vocgiảm, dòng ngắn mạchIscthay đổi rất ít dẫn đến công suất ra của PMT giảm Dấu chấm đỏ là các điểm công suất cực đại MPP (Maximum Power Point), các điểm này sẽ di chuyển từ phía trên xuống phía dưới khi nhiệt độ tăng lên

b) Xét ảnh hưởng của yếu tố cường độ BXMT

Giữ cố định nhiệt độ T = 25 oC và thay đổi cường độ BXMT theo 4 cấp là 400,

600, 800, 1000 W/m2, các đường đặc tính I-V và P-V được biểu diễn như hình 1.9

a) Đặc tính I-V

b) Đặc tính P-V

Hình 1.9 Đặc tính I-V và P-V khi cường độ bức xạ thay đổi

Hình 1.9a cho thấy khi cường độ BXMT tăng, dấu chấm đỏ (điểm MPP) di chuyển

từ dưới lên trên, dòng ngắn mạch Isctăng mạnh, điện áp hở mạch Vocthay đổi rất ít, dẫn

đến công suất ra PMT tăng

Nhận xét: tại một thời điểm nhất định ứng với một cặp giá trị (λ,T ) luôn thu được một đường đặc tính P-V Ứng với mỗi đường đặc tính P-V tồn tại duy nhất một điểm có công suất cực đại MPP.Khi thời tiết thay đổi, điểm MPP sẽ di chuyển theo Nếu PMT không làm việc tại MPP sẽ dẫn đến một lượng công suất bị lãng phí

1.3 Hệ thống pin năng lượng mặt trời

Hệ thống pin mặt trời được chia thành 2 loại:

Hệ PV làm việc độc lập thường được sử dụng ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới điện không kéo đến được Sơ đồ khối của hệ này như sau:

Còn trong hệ PV làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời được mắc với lưới điện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng Trong hệ này, bộ biến đổi DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với lưới điện về tần số và điện áp

1.3.1 Hệ PV làm việc độc lập

Cấu trúc của hệ thống PV làm việc độc lập được đưa ra ở hình 1.10

Hình 1.10 Cấu trúc của hệ PV làm việc độc lập

Hệ PV làm việc độc lập gồm 2 thành phần chính là:

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu trữ giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc quy

để lưu trữ năng lượng Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo

cho tuổi thọ của ắc quy

b) Các bộ biến đổi

Trong hệ PV làm việc độc lập, các bộ biến đổi gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC/DC

và bộ biến đổi DC/AC

Bộ DC/DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy Bộ biến

đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi

thọ ắc quy Có nhiều loại bộ biến đổi DC/DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ giảm áp Buck, bộ tăng áp Boost và bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck Cả 3 loại DC/DC đều sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo một chu kì được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC/DC

được lựa chọn cho thích hợp

Khóa điện tử trong mạch DC/DC được điều khiển đóng cắt từng chu kì Mạch điều khiển khóa điện tử này được kết hợp với thuật toán xác định điểm làm việc tối ưu (MPPT – maximum power point tracking) để đảm bảo cho hệ quang điện được làm việc hiệu quả nhất Mạch vòng điều khiển thuật toán MPPT sẽ được trình bày chi tiết ở chương 3

Bộ DC/AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiều sang nguồn xoay chiều (110 hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay chiều Có nhiều kiểu bộ biến đổi DC/AC, chúng có thể làm việc cả hai chế độ từ một chiều sang xoay chiều và cả chế độ từ xoay chiều sang một chiều Nhìn chung, bộ biến đổi DC/AC trong

hệ PV làm việc độc lập có thể làm việc ở mức điện áp một chiều 12, ,24 ,48, 96, 120, 240 VDC tùy từng hệ

Phương pháp điều khiển PWM được sử dụng để giúp bộ biến đổi tạo được đầu ra có dạng sin

Các loại bộ biến đổi DC/AC trong hệ pin mặt trời độc lập tùy từng trường hợp có thể có sơ đồ dạng nửa cầu và dạng cầu 1 pha

Các linh kiện bán dẫn được sử dụng trong bộ biến đổi này là các MOSFET, IGBT MOSFET được sử dụng với trường hợp công suất lên tới 5kVA và điện áp là 96 VDC Chúng có ưu điểm là tổn hao công suất ít ở tần số cao Do có điện áp rơi là 2 VDC Còn IGBT thường chỉ được sử dụng trong những hệ có điện áp trên 96 VDC

1.3.2 Hệ PV làm việc với lưới

Đây là hệ PV được kết nối với lưới điện Hệ thống này cho phép tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ và đồng thời cũng có thể bơm phần năng

lượng dư thừa vào lưới điện để bán Khi nguồn pin mặt trời sinh ra nhiều năng lượng thì nguồn năng lượng dư thừa này sẽ chuyển vào trong lưới điện, còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắng hay mây mưa, máy phát pin mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ lấy điện từ lưới Do đó, hệ PV này có thể không cần ắc quy để dự trữ năng lượng Bộ biến đổi trong hệ này không chỉ giúp ổn định nguồn năng lượng tạo bởi nguồn pin mặt trời mà còn đảm bảo nguồn điện năng ra khỏi hệ quang

điện phải đồng bộ với lưới

Hình 1.11 Hệ thống PV làm việc nối lưới

Hệ quang điện mặt trời có thể trở thành một phần của lưới điện lớn Cấu trúc của hệ còn phụ thuộc vào quy mô của hệ và đặc tính phụ tải sử dụng Khi hệ quang điện được mắc với lưới, nguồn công suất có hai chiều hướng Lưới sẽ hấp thụ nguồn điên mặt trời

và sẽ cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khi mà hệ PV không thể sinh ra điện vào thời gian yếu áng sáng hoặc ban đêm Đây là hình thức đang được khuyến khích phát triển ở nhiều nơi trên thế giới

a)Yêu cầu về hòa lưới đồng bộ

Hệ PV làm việc với lưới, các yêu cầu cơ bản đối với điện áp tại điểm kết nối với lưới điện:

- Biên độ và pha của điện áp phải cân bằng với biên độ và pha của dòng công suất

Điện áp được điều khiển bằng hệ số biến đổi máy biến áp hoặc là góc mở bộ DC/AC

trong hệ điều khiển mạch vòng kín

- Phải đảm bảo đồng bộ với tần số lưới bằng cách sử dụng tần số hệ làm tần số chuẩn cho tần số đóng mở của bộ DC/AC

Hệ PV phải được bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp, nối đất, chống sét và bảo vệ cách ly…

Hệ PV phụ thuộc vào thời gian chiếu sáng trong ngày, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, đặc biệt là thời gian cao điểm, đặc tính phụ tải ở điểm cao nhất

b)Các bộ biến đổi trong hệ PV

Bộ biến đổi giúp liên kết những tấm pin mặt trời với các phần còn lại trong hệ PV

Nó giúp biến đổi nguồn điện một chiều sinh ra từ pin mặt trời thành nguồn xoay chiều để hòa với lưới Hệ PV làm việc với lưới đòi hỏi độ phức tạp trong hoạt động, phải có sự

đồng bộ với lưới về điện áp, tần số, góc pha Bộ biến đổi DC/AC phải tạo được điện áp ra

dạng sin, phải đồng bộ được về điện áp, tần số của lưới, phải xác định được điểm làm việc có công suất lớn nhất của dãy pin mặt trời Đầu vào của bộ biến đổi này phụ thuộc vào điện áp vào cho đến khi xác định được điểm MPP trên đường đặc tính I-V Bộ biến

đổi phải điều khiển được các góc pha của lưới, và đầu ra của bộ DC/AC này phải được điều khiển cả về điện áp và tần số Các bộ DC/AC thông thường có thể được điều khiển

bằng phương pháp PWM điều chỉnh độ rộng xung và hoạt động trong tần số từ 2kHz đến

20 kHz

Bộ biến đổi làm việc với lưới được phân loại rộng rãi thành bộ biến đổi nguồn áp (VSI) và bộ biến đổi nguồn dòng (CSI) Tùy thuộc vào sự điều khiển mà bộ biến đổi DC/AC được phân thành loại bộ biến đổi điều khiển dòng (CCI) hay bộ biến đổi điều khiển áp (VCI)

Nếu bộ biến đổi nguồn áp có một tụ điện mắc song song với đầu vào thì bộ biến đổi dòng sẽ có một cuộn cảm mắc nối tiếp với đầu vào 1 chiều Trong bộ biến đổi dòng CSI, nguồn 1 chiều xuất hiện như dòng một chiều của bộ biến đổi Pin mặt trời có thể được coi như một nguồn dòng Hầu hết các bộ biến đổi trong hệ PV là nguồn áp, mặc dù pin mặt trời được coi như một nguồn dòng Các bộ biến đổi nguồn dòng thường dùng cho các

động cơ lớn Bộ biến đổi nguồ

để tạo thành bộ biến đổi dạng

Hình 1.12 mô tả bộ biến đ

điều khiển áp và góc pha Việ

điều khiển góc pha giữa điện áp bi

pha hơn điện áp lưới

Hình 1

Hình Trong Hình 1.13 bộ biến đ

cực, linh động trong mạch để c

Có nhiều loại bộ biến đ

ồn áp được dùng phổ biến và kết hợp với bộ

sin

n đổi nguồn áp xoay chiều có mạch cầu m

ệc chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đư

n áp biến đổi và điện áp lưới Điện áp biến đổ

Hình 1.12 Bộ biến đổi nguồn áp VSI

Hình 1.13 Bộ biến đổi nguồn dòng CSI

n đổi nguồn áp hoạt động như một bộ biến đ

ng phương pháp PWM để điều khiển dòng qua các phcấp cho lưới

n đổi được sử dụng cho hệ PV làm việc với lư

-Bộ biến đổi có đảo dòng (line – commutates inverter) Mạch gồm những thyristor

được mắc với lưới ít trở kháng và cách ly hệ với lưới điện

-Bộ biến đổi có tự đảo (self – commutated inverter) Gồm các khóa đóng cắt với phương pháp điều khiển PWM

-Bộ biến đổi sử dụng máy biến áp tần số Dùng máy biến áp tần số cao ~20kHz

• Nhận xét

Nhìn chung, cả hai loại hệ quang điện (làm việc với lưới và làm việc độc lập) đều

có những ưu nhược điểm riêng Hệ quang điện làm việc với lưới có cấu trúc đơn giản, có những ưu điểm và lợi ích kinh tế đáng khuyến khích được áp dụng rộng rãi nhưng hệ thống này đòi hỏi nhiều yêu cầu phức tạp vì còn phải lệ thuộc vào trạng thái và đặc điểm của lưới điện và phải đồng bộ với lưới về điện áp, pha và tần số Hệ PV làm việc độc lập

có cấu trúc phức tạp và có giá thành lắp đặt cao hơn so với hệ làm việc lưới nhưng đặc biệt thích hợp bới những vùng sâu vùng xa, nơi mà lưới điện không kéo đến được hoặc chi phí đưa lưới điện về những vùng này thậm chí còn cao hơn cả chi phí lắp đặt hệ pin mặt trời

1.4 Bộ nguồn DC/DC trong hệ thống nguồn năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm

viễn thông

1.4.1 Hệ thống nguồn cung cấp điện trong trạm viễn thông

Công nghiệp viễn thông là một trong những ngành phát triển nhanh nhất thế giới

Đi cùng với sự phát triển này là mật độ các trạm thu phát sóng BTS ngày càng tăng Việc đảm bảo cung cấp điện cho các trạm BTS đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm

bảo thông tin liên lạc được liên tục, thông suốt Vị trí đặt các trạm BTS có thể ở những nơi có điện lưới hoặc ở những vùng hẻo lánh xa xôi không có điện lưới Vì vậy việc thiết

kế nguồn cung cấp cho trạm BTS thông thường sử dụng máy phát điện Nếu khi trạm BTS đặt ở khu vực có điện lưới thì máy phát sẽ làm việc khi mất điện, nhưng khi trạm BTS được đặt ở khu vực không có điện lưới thì máy phát sẽ đóng vai trò là nguồn cung cấp chính chạy liên tục Ngoài ra trong hệ thống nguồn cho trạm viễn thông cũng tồn tại

hệ thống ắc quy nhằm lưu trữ năng lượng khi xảy ra sự cố máy phát

Hệ thống sử dụng máy phát kết hợp với điện lưới được đưa ra ở hình 4.14 Hệ thống này có nhược điểm là giá thành cao do phải sử dụng máy phát đặc biệt là ở các khu vực không có điện lưới Ngoài ra, khi sử dụng máy phát một lượng lớn khói thải sinh ra gây ô nhiễm môi trường kèm theo đó là ô nhiễm tiếng ồn

Hình 1.14 Hệ thống cung cấp điện cho trạm BTS truyền thống

Ngày nay với sự phát triển của hệ thống năng lượng tái tạo thì hệ thống cung cấp

điện năng cho các trạm viễn thông đã được tích hợp pin năng lượng mặt trời và máy phát điện sức gió Hệ thống này có ưu điểm nổi bật là giá thành tương đối rẻ, hạn chế tối đa ô

nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn và đặc biệt hữu ích cho các trạm đặt ở khu vực không có điện lưới Cấu trúc hệ thống tích hợp nguồn năng lượng mặt trời trong hệ thống nguồn cung cấp cho trạm năng lượng viễn thông được đưa ra ở hình 1.15

Hệ thống nguồn tích hợp năng lượng mặt trời được điều khiển bởi bộ điều khiển quản lý năng lượng (EEMC) EEMC luôn giám sát trạng thái của tải và các nguồn cung cấp, phụ thuộc vào sự đòi hỏi công suất của tải mà nó sẽ quyết định nguồn cung cấp là máy phát, năng lượng mặt trời hay ắc quy hoặc kết hợp các nguồn này lại với nhau để cung cấp cho tải EEMC giám sát liên tục SOC của ắc quy, nó sẽ quyết định chế độ nạp khi ăcquy không còn đủ năng lượng cung cấp cho tải hoặc SOC nhỏ hơn 20%

Các trường hợp của EEMC được xử lý như sau

- Trường hợp 1: Trạng thái bất kỳ nguồn nào cũng đủ để cung cấp cho tải Trong trường hợp này nguồn năng lượng mặt trời được lựa chọn SW4 được bật còn SW1, SW2, SW3 bị tắt Việc nạp ắc quy cũng có thể được bật trong chế độ này nếu công suất dư thừa (SW3 được bật)

- Trường hợp 2: Nếu công suất của pin năng lượng mặt trời không phù hợp để chạy tải (nhỏ hơn công suất tối thiểu mà tải cần cung cấp) và chỉ có ắc quy phù hợp để chạy tải Xem xét nếu công suất của ắc quy một mình đủ cung cấp cho tải thì SW2 được bật còn SW1, SW3, SW4 đều phải đóng

- Trường hợp 3: Nếu nguồn công suất của pin mặt trời và ắc quy phù hợp để chạy tải thì SW4, SW2 được bật còn SW3, SW1 phải tắt

- Trường hợp 4: Công suất nguồn cung cấp của pin năng lượng mặt trời và ắc quy không đủ nhỏ hơn công suất tối thiểu dành cho tải, công suất của ắc quy dự trữ đủ cung cấp cho tải thì SW1 được bật máy phát được chạy còn SW2, SW3, SW4 đều

bị tắt

1.4.2 Bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng trong trạm

viễn thông

Khi sử dụng bộ biến đổi DC/DC làm nguồn cho viễn thông thì không cần đòi hỏi về dải

điều chỉnh mà chủ yếu yêu cầu về chất lượng đầu ra DC của bộ biến đổi phải đáp ứng đủ

nhanh và có độ đập mạch thấp Ngoài ra khi xây dựng hệ thống nguồn DC cho viễn thông thì cũng phải đảm bảo chỉ tiêu về hiệu suất bộ biến đổi cao và có kích thước nhỏ gọn Trong luận văn này đi xây dựng hệ thống bộ biến đổi cung cấp điện cho bus DC của trạm viễn thông có cấu trúc như hình 1.16

Hình 1.16 Cấu trúc nguồn DC/DC sử dụng cho trạm viễn thông

Ngay sau hệ thống pin năng lượng mặt trời một bộ biến đổi DC/DC thông thường là bộ biến đổi BOOST được sử dụng để đưa ra được điện áp cỡ 350V – 400V Điện áp ngay sau đầu ra bộ biến đổi BOOST cần được hạ xuống 48V để phù hợp với cấp điện áp của bus DC Điện áp đầu ra của bộ biến đổi boost có độ đập mạch và biến thiên trong một dải rộng lên không thể sử dụng các bộ biến đổi hạ áp thông thường ở tầng phía sau Vì vậy ngay sau bộ biến đổi Boost người ta thường sử dụng một bộ DC – AC –DC hoạt động ở tần số cao Trong luận văn này bộ biến đổi DC – AC – DC được lựa chọn là bộ biến đổi cộng hưởng LLC nhằm biến đổi điện áp 400V xuống 48V cung cấp cho bus DC trong hệ thống nguồn của trạm viễn thông Bởi vì bộ biến đổi LLC có dải đầu vào điện áp rộng và chất lượng điện áp đầu ra tốt, ngoài ra hiệu suất bộ biến đổi rất cao do bộ biến đổi LLC

sử dụng nguyên tắc chuyển mạch mềm

1.5 Kết luận

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và gần như vô hạn đang đóng một vai trò quan trọng trong các nguồn năng lượng tái tạo Có hai cấu trúc pin năng lượng mặt trời thường ứng dụng trong thực tế là cấu trúc PV làm việc độc lập và cấu trúc

PV làm việc nối lưới Trong hai cấu trúc này hệ PV làm việc độc lập được ứng dụng trong hệ thống trạm viễn thông nhằm tiết kiệm năng lượng và đặc biệt đóng vai trò quan trọng trong những trạm BTS ở những vùng xa xôi hẻo lánh mà nguồn điện lưới không có Cấu trúc nguồn DC/DC trong hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng trong trạm viễn

được phân tích trong luận văn gồm hai tầng Tầng thứ nhất là bộ biến đổi boost và thuật

toán MPPT nhằm nâng cấp điện áp trong khoảng từ 340V – 440V Tầng thứ hai là bộ biến đổi cộng hưởng LLC đưa điện áp đến cấp điện áp 48V phù hợp với cấp điện áp trong bus DC của trạm viễn thông Vì vậy trong luận văn sẽ lần lượt đi phân tích thiết kế các tầng khác nhau của bộ biến đổi Chương hai đi xây dựng bộ biến đổi boost và thuật toán MPPT Chương ba sẽ đi xây dựng cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng LLC thỏa mãn yêu cầu hệ thống

CHƯƠNG 2

BỘ BIẾN ĐỔI BOOST VÀ THUẬT TOÁN MPPT

Như đã phân tích ở chương một, ngay sau đầu ra của pin mặt trời yêu cầu cần có một bộ biến đổi tăng áp để nâng cấp điện áp lên cỡ 400V Có rất nhiều bộ biến đổi kiểu tăng áp nhưng phổ biến và đơn giản nhất là bộ biến đổi Boost Ngoài ra để đảm bảo tận dụng được hết công suất của pin mặt trời cần sử dụng thuật toán MPPT trong hệ thống

điều khiển bộ biến đổi Boost Chương hai sẽ đi xây dựng hệ thống bộ biến đổi Boost và

thuật toán MPPT sử dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

2.1 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Boost

Bộ biến đổi (BBĐ) tăng áp là BBĐ DC/DC thông dụng thường áp dụng cho các

ứng dụng yêu cầu điện áp ra cao hơn điện áp vào BBĐ tăng áp phổ biến là bộ biến đổi

Boost

Để đơn giản trong phân tích nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi tăng áp Boost ,

xét BBĐ Boost lý tưởng (bỏ qua ảnh hưởng của điện trở RL trong cuộn cảm, RESRtrong tụ

điện) như hình 2.1 bên dưới

R t +

L (t)

i L (t)

i C (t) + _

V g

Q 1

Hình 2.1 Bộ biến đổităng áp Boost

Dạng dòng điện iL(t) và điện áp ra vo(t) được mô tả như hình 2.2 sau đây:

Hình 2.2 Dạng dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải

− Trong khoảng thời gian Ton: van Q1 dẫn và diode D khóa, chiều dòng điện iL(t) qua cuộn cảm và iC(t) qua tụ điện như hình 2.3

R t +

V o C

L

_ + v L (t)

Điện áp nguồn được biểu diễn:

V TI

L (t)

i L (t)

i C (t) + _

V g

Phương trình cân bằng điện áp:

=+ , thay vào (2.8) thu được:

1

g o

V V D

=

Giả sử tổn thất công suất bằng 0 tức:

I I

Trong đó: fs là tần số đóng cắt (switching) của van đóng cắt

2.2 Nguyên lý dung hợp tải và thuật toán MPPT

2.2.1 Giới thiệu chung

Các đồ thị đặc tính của PMT hình 1.5, 1.6 đã trình bày ở mục 1.1.4 cho thấy được

ứng với mỗi điều kiện thời tiết nhất định chỉ tồn tại duy nhất một điểm MPP, hơn nữa khi điều kiện thời tiết thay đổi thì điểm MPP cũng thay đổi theo Như vậy để tối ưu hóa hiệu

suất của PMT thì cần luôn giữ cho PMT làm việc ở điểm MPP Bộ điều khiển bám công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracker) sẽ thực hiện nhiệm vụ đó thông qua việc điều khiển đóng mở van đóng cắt của bộ biến đổi DC/DC

Tín hiệu PWM

Bộ điều khiển MPPT

Giả sử tấm PMT được mắc trực tiếp vào một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị như hình 2.6

Hình 2.6 Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải

Khi đó điểm làm việc của PMT là giao điểm giữa đường đặc tính I – V của PMT

và đường đặc tính I – V của tải Xét tải thuần trở nên đường đặc tính tải là một đường thẳng với độ dốc là 1/R Giả sử có 3 giá trị của tải là R1, R2, R3 thì 3 đường đặc tính I-V tương ứng sẽ có độ dốc lần lượt là 1/R1, 1/R2,1/R3 Trong số đó chỉ có đường đặc tính tải tương ứng R2 là cắt đường đặc tính I-V của PMT tại điểm MPP như hình 2.7

Hình 2.7 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải

Như vậy ứng với tải có giá trị R2 thì PMT sẽ làm việc tại điểm có công suất cực

đại MPP, tuy nhiên điều này chỉ xảy ra một cách hết sức ngẫu nhiên Khi điều kiện thời

tiết thay đổi hoặc tải biến động, bộ MPPT sẽ làm việc để luôn bám điểm MPP dựa theo nguyên lý dung hợp tải

2.2.2 Nguyên lý dung hợp tải

Khi PMT mắc trực tiếp với tải thì điểm làm việc sẽ do đặc tính tải xác định,khi giá

trị của tải khớp với giá trị mpp mpp

mpp

VR

I

= thì công suất truyền từ PMT đến tải sẽ là lớn nhất trong đó:

Trong số các bộ biến đổi DC/DC, BBĐ tăng áp Boost được ứng dụng rất rộng rãi Phạm vi luận văn này sẽ tập trung vào bộ biến đổi tăng áp Boost, hệ thống PMT sử dụng BBĐ tăng áp Boost được minh họa như hình 2.8

Hình 2.8 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC

Các phương trình quan hệ của bộ biến đổi tăng áp Boost được cho như sau