CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG MICRO-INVERTER

Bộ inverter của hệ thống năng lượng mặt trời có thể chia thành 2 loại chính : • Bộ inverter trung tâm central inverter • Bộ micro-inverter... So sánh ưu nhược điểm của bộ

Trang 1

CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

MICRO-INVERTER 2.1 Giới thiệu chung về bộ inverter của hệ thống năng lượng mặt trời

Một bộ inverter là một thiết bị điện thay đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều, có thể chuyển đổi dòng điện xoay chiều tới bất kì điện áp và tần số nào với việc sử dụng các máy biến áp thích hợp, bộ chuyển đổi và các bộ điều khiển

Bộ inverter của hệ thống năng lượng mặt trời có thể chia thành 2 loại chính :

• Bộ inverter trung tâm (central inverter)

• Bộ micro-inverter

2.1.1 Bộ inverter trung tâm

Một bộ inverter trung tâm được sử dụng để chuyển đổi điện áp một chiều từ các tấm pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau để cho ra điện áp xoay chiều dùng để cấp nguồn cho phụ tải địa phương hoặc nối lưới, bộ inverter trung tâm thường có công suất lớn và điện

áp một chiều đầu vào cao do các tấm pin mặt trời được mắc nối tiếp (hình 2.1)

Trang 2

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

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

Các lợi thế chính là, ngay cả một lượng nhỏ các vệt đen, các mảnh vụn thậm chí có thể là

tuyết ở trên bất kì một tấm năng lượng mặt trời nào, hay một tấm bị lỗi, thì đều không

ảnh hưởng nhiều lắm đến công suất một mảng Mỗi bộ micro-inverter đạt được công suất

tối ưu bằng cách thực hiện tim kiếm điểm công suất đỉnh (MPPT) cho từng tấm pin mặt

trời

Nhược điểm chính của nó là nó có một chi phí thiết bị ban đầu trên mỗi watt cao hơn

so với bộ inverter trung tâm, và thường đặt gần các tấm pin năng lượng, nơi có thể khó

khăn hơn trong việc bảo trì Nhưng những vấn đề đó có thể giải quyết được bởi

micro-inverter có độ bền cao hơn nhiều và cài đặt ban đầu cũng rất đơn giản

Một phát triển gần đây là micro-inverter có thể chấp nhận đầu vào DC từ hai tấm pin

năng lượng mặt trời, chứ không phải một và việc tối ưu công suất đỉnh được thực hiện

độc lập trên mỗi tấm panel Điều này làm giảm chi phí thiết bị cho bộ micro-inverter

2.2 Cấu tạo chung về bộ inverter

Cấu tạo của bộ micro-inverter có thể chia thành các phần chính sau (hình 2.5):

Trang 3

 Bộ biến đổi DC-DC (DC-DC converter)

 Inverter (bộ biến đổi DC-AC)

 Bộ lọc (filter)

Hình 2.3 Mô hình bộ micro-inverter

Tùy theo sự lựa chọn từng cách thiết kế mà chúng ta sẽ có cấu tạo của bộ micro - inverter khác nhau

2.2.1 Bộ tăng áp DC-DC converter

Trong sản xuất công nghiệp, các bộ nghịch lưu được sử dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện xoay chiều, bộ lưu điện, xe điện… Tuy nhiên bộ nghịch lưu truyền thống có hạn chế đó là điện áp xoay chiều ngõ ra không thể lớn hơn điện áp nguồn một chiều cung cấp hay nói cách khác nó chỉ thể hiện là bộ nghịch lưu giảm áp Đối với những nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo như pin mặt trời, pin nhiên liệu… điện áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là điện áp một chiều có giá trị điện áp thấp, không ổn định, phụ thuộc theo thời gian, môi trường làm việc Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo này để chuyển đổi thành lưới điện xoay chiều 220V/380V, đòi hỏi điện áp 1 chiều trước khi đưa vào bộ nghịch lưu phải có giá trị lớn hơn 310Vdc (giá trị điện áp đỉnh của 220Vac) Điện áp 1 chiều có giá trị lớn có thể thực hiện bằng cách mắc nối tiếp các tấm pin điện áp thấp với nhau, đồng nghĩa với số lượng pin phải nhiều, lắp đặt trên diện tích rộng lớn Điều này chỉ thích hợp với hệ thống công suất lớn, với những hệ thống công suất nhỏ, để tạo ra điện xoay chiều 220V/380V từ nguồn điện áp thấp người ta thường dùng :

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

 Các bộ tăng điện áp một chiều

Các bộ biến đổi sử dụng máy biến áp tần số thấp có ưu điểm là đơn giản nhưng chất lượng điện áp ra không tốt, và hiệu suất thấp Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật

Inverter DC-DC

Trang 4

điện tử và chế tạo máy biến áp, ngày nay máy biến áp tần số thấp được thay thế bởi các máy biến áp tần số cao (cỡ vào chục kHz) để tăng điện áp một chiều lên đến điện áp lưới trước bộ nghịch lưu, tổn thất trên máy biến áp giảm, đáp ứng điều khiển nhanh, chính xác Dưới đây phân tích một số sơ đồ tăng điện áp một chiều được sử dụng rộng rãi

a) Bộ biến đổi DC-DC kiểu PUSH-PULL (kéo đẩy )

Nguyên lý hoạt động

Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi kiểu push-pull (hình 2.4) bao gồm một máy biến áp nhiều cuộn dây T1 Mỗi cuộn dây phía thứ cấp cho ra các xung vuông lệch nhau 180ᵒ, biên độ xung được xác định bằng điện áp đầu vào và tỉ số biến áp của máy biến áp T1 Độ rộng xung của các cuộn dây thứ cấp của T1 là giống nhau, và được điều khiển bởi mạch điều khiển và phản hồi âm từ đầu ra chính (Nm), cuộn Ns1 và Ns2 là các cuộn dây phụ phục vụ cho các bộ nguồn yêu cầu nhiều đầu ra Các transistor Q1, Q2 được sử dụng ở chế độ khóa điện tử, xung mở cho các khóa này phải thỏa mãn điều kiện sao cho khi có tín hiệu mở thì transistor phải dẫn ở trạng thái bão hòa, khi đó Vce(sat) ≈ 1V Do đó khi mỗi transistor chuyển sang trạng thái dẫn bão hòa một nửa tương ứng của cuộn sơ cấp của T1 được đặt dưới xung điện áp vuông có biên độ Vdc-1 Các cuộn dây phía thứ cấp của máy biến áp sẽ xuất hiện xung điện áp vuông với biên độ (Vdc– 1)(𝑁𝑠 𝑁𝑝⁄ ) – Vd (Vdlà điện áp rơi trên diode) trong khoảng thời gian To Xung điện áp phía sau diode có tỉ số

chu kỳ là 2Ton/T do có hai xung vuông trong 1 chu kỳ

Trang 5

Hình 2.4 Sơ đồ bộ biến đổi push-pull Q1 và Q2 được điều khiển bởi tín hiệu PWM lệch

pha nhau 180ᵒ Bộ biến đổi có đầu ra chính là Vm và hai đầu ra phụ là V s1 và

Trang 6

Nếu mạch phản hồi âm được đặt theo điện áp Vm (hình 2.4), thì Ton và Vm được điều khiển chống lại sự thay đổi của điện áp đầu vào và tải đầu ra Mặc dù dòng tải không xuất hiện trong phương trình (2.1), nhưng nếu dòng tải thay đổi thì Vm cũng thay đổi theo dẫn đến xuất hiện tín hiệu lỗi cho bộ điều khiển và Ton được điều khiển để giữ cho Vm bằng tín hiệu đặt (theo hướng làm cho tín hiệu lỗi bằng không)

Đối với các cuộn dây phụ phía thứ cấp của T1, điện áp phía cathode của diode cũng được xác định từ số vòng dây của cuộn thứ cấp và khoảng thời gian mở Ton của xung vuông Điện áp đầu ra của các đầu ra phụ được xác định theo công thức sau ( với diode ở đầu ra là loại diode thường có điện áp rơi là 1V)

Nhận xét về bộ biến đổi DC-DC kiểu push-pull

Bộ biến đổi kiểu push-pull là một trong các sơ đồ lâu đời nhất mà vẫn còn được sử dụng rộng rãi Nhờ ưu điểm có nhiều đầu ra với các điện áp khác nhau, đầu ra, đầu vào

và giữa các đầu ra đều được các ly về điện, điện áp đầu ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào Đầu ra chính được điều khiển để chống lại sự thay đổi của điện áp đầu

ra và dòng tải Các đầu ra phụ cũng cũng được điều khiển để chống lại sự thay đổi của điện áp đầu vào và sai lệch khoảng 5% với thay đổi tải đầu ra với điều kiện cuộn cảm lọc đầu ra phải làm việc trong chế độ liên tục

Bên cạnh các ưu điểm trên thì bộ biến đổi theo kiểu push-pull vẫn còn tồn tại các nhược điểm sau: số lượng thiết bị bán dẫn công suất lớn ( 2 transistor và 2 diode), cần tụ lọc lớn ở phía đầu ra gây thêm tổn thất và làm tăng kích thước của bộ biến đổi

b) Bộ biến đổi DC-DC kiểu forward

Nguyên lý hoạt động

Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi kiểu forward với ba đầu ra được trình bày trong hình 2.5 Cấu trúc kiểu forward thường được chọn với công suất ưu cầu nhỏ hơn 200 W và điện áp đầu vào từ 60 đến 200 V Khi điện áp đầu vào nhỏ hơn 60 V dòng điện phía sơ cấp trở nên quá lơn với công suất lơn Điên áp đầu vào lớn hơn 200 V điện áp đặt trên

Trang 7

transistor trở nên quá lớn Thêm vào đó nếu công suất lớn hơn 200 W dòng điện đầu vào phía sơ cấp cũng sẽ trở nên quá lớn kể cả khi điện áp đầu vào cao

Từ hình 2.5 ta có thể thấy sơ đồ gồm một đầu ra chính Vm và hai đầu ra phụ, Vs1 và

Vs2 Vòng phản hồi âm với tín hiệu phản hồi lấy từ Vm có nhiệm vụ điều khiển Q1 để giữ cho Vm không đổi khi điện áp vào và tải thay đổi Các đầu ra phụ cũng được điều khiển để giữ không đổi khi điện áp đầu vào thay đổi

Trang 8

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng của bộ biến đổi DC-DC kiểu forward [3]

So với sơ đồ push-pull trong hình 2.4, ta thấy một transistor được thay thế bằng diode D1 Khi Q1 chuyển sang trạng thái dẫn xuất hiện dòng điện trong cuộn dây sơ cấp Np, các diode từ D2 đến D4 được phân cực thuận, dòng điện ở các cuộn thứ cấp cung cấp cho tải thông qua bộ lọc LC Chú ý: năng lượng chỉ cung cấp cho tải trong khi Q1 đang ở trạng thái dẫn

Từ hình 2.5, nếu transistor Q1 có thời gian dẫn là Ton, điện áp phía sau diode D2 ở mức cao Vomr là:

𝑉𝑜𝑚𝑟 = [(𝑉𝑑𝑐− 1)𝑁𝑚

Diode D5 đến D7 được nối song song với mạch tải nhằm dẫn dòng khi D2 đến D4 bị phân cực ngược Khi Q1 chuyển sang trạng thái khóa, dòng điện trong cuộn sơ cấp của T1 giảm đột ngột, để chống lại quá trình giảm này phía sơ cấp xuất hiện điện áp ngược Nếu không có diode D1 điện áp âm trên cuộn Nr sẽ rất lớn, vì Nr và Np thường có cùng số vòng dây nên điện áp đặt lên transistor Q1 sẽ tăng đủ lớn để phá hủy transistor này Nhờ diode D1 nên điện áp trên Nr được giữ ở mức Vdc so với đất, dẫn đến điện áp trên Npcũng được giữ ở mức Vdc Nếu bỏ qua điện áp rơi trên diode thì điện áp các cuộn Nr và

Np là Vdc từ đó ta có điện áp lớn nhất đặt lên Q1 là 2Vdc

Để tránh cho mạch từ bị bão hòa thì trong một chu kỳ nếu từ lõi thép di chuyển theo một hướng của đường cong từ trễ thì trước khi bắt đầu một chu kỳ làm việc mới đặc tính

từ hóa phải trở lại điểm ban đầu trên đường cong từ trễ Nếu điều kiện trên không được đáp ứng mạch từ sẽ bị bão hòa dẫn đến phá hỏng transistor Q1

Từ dạng sóng của điện áp đặt trên transistor (hình 2.5) thời gian dẫn của Q1 là Ton, tích số volt-giây là VdcTon (bằng diện tích vùng A1) làm cho từ cảm trong mạch từ tăng

dB = (V dc T on /N p A e )*10 -8 gauss[3] Khi Q1 khóa điện kháng từ hóa có chiều ngược lại giữ

điện áp âm đủ lâu để tích số volt-giây A2 bằng với A1, đủ điều kiện để chu kỳ sau bắt đầu

Điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi được tính theo công thức sau:

Trang 9

𝑉𝑜𝑚 = [(𝑉𝑑𝑐− 1)𝑁𝑚

𝑁𝑝 − 𝑉𝑑]𝑇𝑜𝑛

Nhận xét về bộ biến đổi

 Ưu điểm: Sơ đồ biến đổi kiểu forward có thể được thiết kế để có nhiều đầu ra

với các mức điện áp khác nhau Giữa đầu vào và đầu ra, giữa các đầu ra được cách ly về điện với nhau Số khóa bán dẫn cần sử dụng ít hơn so với sơ đồ kiểu push-pull Đầu ra chính được giữa ổn định nhờ mạch điều khiển với vòng phản hồi âm, nhờ đó điện áp đầu ra được giữ ổn định khi tải hay điện áp đầu vào thay

đổi

 Nhược điểm: Sơ đồ này bị giới hạn về công suất và điện áp đầu vào, điện áp vào

chỉ nên nằm trong khoảng 60 đến 200 V Phía đầu ra cần phải có cuộn kháng lọc

lớn làm tăng giá thành, tổn thất và kích thước bộ biến đổi

c) Bộ tăng áp dùng máy biến áp hồi tiếp (flyback converter)

Hình 2.6 trình bày sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi flyback Khi Q1 đóng mạch thì xuất hiện dòng điện chạy qua quận dây sơ cấp nhưng do diode D1 ở mạch thứ cấp phân cức ngược nên cuộn dây thứ cấp không có dòng điện chạy qua Khi Q1 hở mạch thì dòng

Trang 10

điện trong cuộn sơ cấp giảm về không Sức điện động trong các cuộn dây của máy biến áp đảo chiều Diode D2 phân cực thuận, trong cuộn dây thứ cấp có dòng điện chạy qua Như vậy ta có thể thấy cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp của máy biến áp flyback không dẫn dòng đồng thời.

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng của flyback converter [3]

Hoạt động của sơ đồ: Khi Q1 đóng mạch diode D1 và D2 phân cực ngược Tải được cấp dòng nhờ vào tụ C0 và C1, T1 đóng vai trò như cuộn cảm và dòng điện trong cuộn sơ cấp tăng tuyến tính đến giá trị đỉnh Ip Khi Q1 hở mạch, dòng điện trong cuộn dây sơ cấp giảm về không để chống lại sự giảm của dòng điện sức điện động cảm ứng ở các cuộn dây đảo cực tính Diode D1, D2 được phân cực thuận, năng lượng tích trữ trong cuộn dây

sơ cấp được chuyển sang cuộn thứ cấp để cung cấp cho tải và nạp lại tụ C0, C1

Quy tắc bảo toàn sức từ động của cuộn cảm có nhiều hơn một cuộn dây [3]

Đối với cuộn cảm có số cuộn dây lớn hơn một chỉ số sức từ động từ cuộn sơ cấp sang cuôn thứ cấp được bảo toàn

Ví dụ: Nếu cuộn sơ cấp có 100 vòng dây và dòng điện tại thời điểm Q1 hở mạch là 1

A Sức từ động trong cuộn sơ cấp F = NI = 100 ampere-turns Sức từ động này được bảo toàn và chuyển sang cuộn thứ cấp Nếu cuộn thứ cấp có số vòng dây là 10 vòng thì dòng điện cuộn thứ cấp sẽ là 10 A

Trong máy biến áp flyback không có sự tương quan giữa điện áp của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Thực tế điện áp của cuộn thứ cấp phụ thuộc vào tải trong ví dụ trên giả sử tải là 1 ohm thì điện áp đầu ra của cuộn thứ cấp là Vs = 10x1 = 10 volts (chú ý: không nên để hở mạch cuộn sơ cấp vì khóa bán dẫn có thể bị đánh thủng bởi điện áp cao) Nhờ đặc điểm giúp sơ đồ flyback dễ dàng có được điện áp đầu ra cao

Mặc dù không có tương quan về điện áp đầu ra và đầu vào nhưng quá trình hổ cảm giữa hai cuộn dây vẫn sảy ra Trong ví dụ trên nếu tải đầu ra là 100 ohms, điện áp ra của cuộn sơ cấp là 1000 volts Điện áp hổ cảm ở cuộn sơ cấp là 10000 volts Điện áp này cộng thêm với điện áp nguồn đặt lên hai cực Q1 khi nó ở trạng thái hở mạch là 10100 volts

Trang 11

Dựa vào giá trị điện cảm của cuộn sơ cấp và đặc tính tải mạch flyback có hai chế độ làm việc khác nhau là chế độ dòng liên tục và chế độ dòng gián đoạn

 Chế độ dòng gián đoạn

Nếu dòng điện phía thứ cấp của máy biến áp giảm về không trước khi khóa Q 1 chuyển sang trạng thái dẫn lần kế tiếp thì tất cả năng lượng được tích trữ trong cuộn sơ cấp được chuyển cho tải Mạch flyback làm việc ở chế độ dòng gián đoạn hình 2.7.

Trong hình 2.6 điện áp của cuộn dây thứ cấp chính được phản hồi về mạch điều khiển Tín hiệu phản hồi được so sánh với tín hiệu đặt, tín hiệu lỗi được dùng để điều khiển thời gian dẫn của khóa bán dẫn Q1, nhằm giữ cho điện áp đầu ra không đổi khi có sự thay đổi của tải và điện áp đầu vào

Trong khoảng thời gian dẫn của Q1 điện áp đặt trên cuộn sơ cấp là không đổi nên

dòng điện tăng tuyến tính với tốc độ d I /d t =(V dc −1)/L p Trong đó Lp là điện kháng từ hóa của cuộn dây sơ cấp.Tại thời điển kết thúc quá trình dẫn của Q1 dòng điện tăng đến I p = (V dc -1)T on /L p Năng lượng tích trữ được là

E = 𝐿𝑝(𝐼𝑃)2

Trong đó : E là năng lượng tích trự được trong máy biến áp (joules)

Lp là điện cảm từ hóa của cuộn sơ cấp (henries)

Ip là dòng điện trong cuộn sơ cấp (amperes) Khi Q1 trong trạng thái khóa dòng điện trong cuộn sơ cấp bị giảm về không làm cho sức điện động cảm ứng trong các cuộn dây bị đảo chiều Giả sử phía sơ cấp chỉ có một cuộn dây Nm Vì dòng điện trong cuộn cảm không thể thay đổi một cách tức thì nên dòng

điện trong cuộn sơ cấp tại thời điểm cắt mạch sơ cấp là Is = Ip(Np/Nm) Sau một số chu kỳ, điện áp đầu ra của cuộn thứ cấp tăng lên đến giá trị đặt Vom Dòng điện trong cuộn thứ cấp giảm tuyến tính với tốc độ dIs/dt = Vom/Vs, Trong đó Ls là điện cảm của cuộn thứ cấp

Định dạng
Số trang	21
Dung lượng	1,15 MB