Đồ án tốt nghiệp năng lượng điện mặt trời đầy đủ kèm file 2019 (Khoa Điện ĐHBK Đà Nẵng)

Đồ án tốt nghiệp năng lượng điện mặt trời đầy đủ kèm file 2019 (Khoa Điện ĐHBK Đà Nẵng) .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... .................................................................................................................... ....................................................................................................................

Với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao trong cuộc sống, thì năng lượng

sử dụng (than đá, dầu mỏ…) đang ngày càng cạn kiệt đi và gây ra ảnh hưởng khôngnhỏ đến môi trường, điều này đòi hỏi phải có sự phát triển của các loại hình nguồnphát mới Năng lượng mặt trời ngày càng bùng nổ và dẫn trở thành giải pháp hữu hiệutrong việc phát triển nguồn phát, đáp ứng nhu cầu phụ tải, đồng thời giảm được cáctác động xấu đến môi trường, với suất đầu tư thấp và nhiều loại hình lắp đặt linh hoạt:nhà máy, lắp mái,… Bên cạnh đó, thì bộ chuyển đổi inverter có giá thành khá đắt vàchưa được tối ưu với công suất thay đổi liên tục Để cải thiện điều này thì các bộchuyển đổi đang được nghiên cứu để đảm bảo được sự ổn định, có chất lượng điện ápcao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết, trong đóbao gồm bộ chuyển đổi một chiều DC/DC Vì vậy nhóm chúng em chọn đề tài

“Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặttrời”, tập trung nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC nhằm năng cao côngsuất thu được từ các hệ thống pin năng lượng mặt trời

Các kiến thức tổng quan được giới thiệu từ đó làm cơ sở cho quá trình tính toán

mô hình mạch DC/DC Các mô hình mạch được mô phỏng và sau đó mô hình thực tếđược lắp đặt và thử nghiệm

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS.Trần Anh Tuấn, giảng viên Trung Tâm Thí Nghiệm Điện và ThS.Nguyễn Văn Tấn, giảng viên Bộ môn Điện Công

Nghiệp, trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo

em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã truyền dạy cho

em kiến thức về các môn học đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em cóđược cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình họctập

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế, trong quá trình hoàn thiện đồ án khôngtránh khỏi những sai sót Kính mong quý thầy/cô chỉ bảo thêm

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 12 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Trần Thanh Nhi

Chúng em xin cam đoan nội dung, số liệu, kết quả của đồ án, dưới sự hướng dẫncủa ThS.Trần Anh Tuấn là trung thực và không phải là bản sao chép của bất cứ đồ ánhay công trình đã có từ trước.

Chúng em xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này đãđược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng

và được phép công bố

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 12 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Trần Thanh Nhi

TÓM TẮT i

LỜI CẢM ƠN ii

CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

Trang MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM VÀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP 2

1.1 Năng lượng mặt trời tại Việt Nam 2

1.1.1 Đặt vấn đề 2

1.1.2 Xu hướng phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam 4

1.2 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập 7

1.2.1 Pin quang điện 7

1.2.2 Ắc quy 9

1.2.3 Bộ chuyển đổi DC/DC 11

1.2.4 Bộ chuyển đổi DC/AC 12

1.3 Kết luận 13

CHƯƠNG 2: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC (BOOST CONVERTER) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/AC 14

2.1 Bộ chuyển đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) 14

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động mạch tăng áp 14

2.1.2 Thiết kế, tính toán mạch tăng áp 17

2.2 Bộ chuyển đổi DC/AC cầu H một pha 20

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 20

2.2.2 Phương pháp điều khiển SPWM 21

2.3 Các phương pháp điều khiển bộ DC/DC 22

2.3.1 Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM 22

CONVERTER ĐA TẦNG 24

3.1 Tổng quan 24

3.2 Lựa chọn linh kiện thiết bị 24

3.2.1 Vi điều khiển ARM STM32F103C8T6 24

3.2.2 IC ổn áp 7805 và 7812 26

3.2.3 Mosfet IRFP250N 27

3.2.4 Diode D92-02 28

3.2.5 IC 74HC32 29

3.2.6 IC IR2110 30

3.2.7 Mosfet IRFP460 31

CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT, HÌNH ẢNH THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ BỘ CHUYỂN ĐỔI ………… 32

4.1 Lắp đặt mô hình thực tế 32

4.1.1 Mạch nguồn 5VDC và 12VDC 32

4.1.2 Mạch điều khiển STM32 32

4.1.3 Mạch điều khiển công suất sử dụng IR2110 33

4.1.4 Mạch công suất 34

4.2 Hoàn thành bo mạch 36

4.3 Kết quả bộ chuyển đổi DC/DC 42

4.4 Kết luận 46

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 50

Bảng 1.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam 3

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của STM32F103C8T6 26

Bảng 3.2 Thông số IC 7805 và IC 7812 27

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật Mosfet IRFP250N 28

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật IC 74HC32 29

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật IC IR2110 30

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật Mosfet IRFP460 31

Hình 1.1 Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam 4

Hình 1.2 Nhà máy điện mặt trời Hồng Phong 4 – tỉnh Bình Thuận 6

Hình 1.3 Nhà máy điện mặt trời BP Solar 1 – Ninh Thuận 6

Hình 1.4 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một tế bào pin mặt trời 7

Hình 1.5 Cấu tạo Pin Mono và Pin Poly 8

Hình 1.6 Ắc quy 12V-5Ah 9

Hình 1.7 Các loại biến đổi DC/DC không cách ly 12

Hình 1.8 Bộ chuyển đổi DC/AC 12

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp 14

Hình 2.2 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng 15

Hình 2.3 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S mở 15

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch tăng áp một chu kỳ 16

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lí bộ nghịch lưu cầu H một pha 20

Hình 2.6 Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch nghịch lưu áp một pha 21

Hình 2.7 Nguyên lí hoạt động của SPWM 22

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều PWM 23

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc mạch băm xung một chiều kiểu xung – tần 24

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan bộ chuyển đổi 24

Hình 3.2 Vi xử lý STM32F103C8T6 25

Hình 3.3 Cấu trúc mạch CPU 25

Hình 3.4 IC ổn áp 7805 26

Hình 3.5 IC ổn áp 7812 27

Hình 3.7 Diode D92-02 28

Hình 3.8 IC 74HC32 29

Hình 3.9 IC IR2110 30

Hình 3.10 Mosfet IRFP460 31

Hình 4.1 Sơ đồ mạch nguồn 5VDC kết hợp 12VDC 32

Hình 4.2 Sơ đồ nối chân STM32 32

Hình 4.3 Mạch điều khiển mosfet 33

Hình 4.4 Mạch công suất bộ Boost 1 34

Hình 4.5 Mạch công suất bộ Boost 2 34

Hình 4.6 Mạch bảo vệ quá áp 35

Hình 4.7 Bản vẽ thiết kế 3D 36

Hình 4.8 Bộ Boost 1 sau khi lắp đặt linh kiện 37

Hình 4.9 Bộ Boost 2 sau khi lắp đặt linh kiện 38

Hình 4.10 Hoàn thành lắp đặt hai bộ Boost 39

Hình 4.11 Mặt trên của bộ modul 40

Hình 4.12 Hệ thống hoàn chỉnh 41

Hình 4.13 Khi bắt đầu nạp nguồn 42

Hình 4.14 Kết quả đạt được 43

Hình 4.15 Điện áp nguồn vào đo được 44

Hình 4.16 Điện áp và dòng điện đạt được của bộ chuyển đổi 45

CHỮ VIẾT TẮT :

MỞ ĐẦU:

1 Mục tiêu đề tài:

- Tìm hiểu tổng quan nguồn năng lượng mặt trời

- Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý điều khiển, hoạt động của bộ chuyển đổi DC/

DC và bộ biến đổi tăng áp Boost Converter

- Thiết kế, chế tạo mô hình thực tế và kiểm chứng khả năng hoạt động

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Bộ chuyển đổi DC/DC

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào việc tìm hiểu cấu tạo, nguyên lýhoạt động của bộ biến đổi tăng áp Boost Converter và mô hình thực tế của bộ này

3 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp:

Đồ án tốt nghiệp được cấu trúc làm 04 chương, bao gồm:

Chương 1 : Tổng quan về năng lượng mặt trời tại Việt Nam và hệ thống nănglượng mặt trời độc lập

Chương 2 : Bộ chuyển đổi DC/DC và bộ chuyển đổi DC/AC

Chương 3 : Tính toán, thiết kế bộ chuyển đổi Boost Converter đa tầng

Chương 4 : Lắp đặt, hình ảnh thực tế và đánh giá kết quả bộ chuyển đổi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM VÀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP

1.1 Năng lượng mặt trời tại Việt Nam:

1.1.1 Đặt vấn đề:

Ngày nay, với sự phát triển kinh tế, dân số tăng vọt thì nhu cầu sử dụng điện khácao, đồng thời tỷ trọng năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá, …) sử dụng trong phátđiện vẫn còn khá lớn Bên cạnh nguy cơ thiếu hụt nguồn năng lượng hóa thạch do trữlượng đang dần cạn kiệt thì việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đang gây ônhiễm trầm trọng, ảnh hưởng lớn đến môi trường Trước thực trạng trên, đòi hỏichúng ta phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế Một trong những giải phápđược tối ưu nhất là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo được, những dạng nănglượng mới như năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời, … Nănglượng mặt trời được xem là sự bổ sung lý tưởng cho sự thiếu hụt điện năng Nó khôngchỉ là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất, có khắp trên bề mặt Trái Đất mà còn gópphần giảm thiểu các tác động tiêu cực mà năng lượng truyền thống gây ra cho môitrường

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới, có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặttrời, đặc biệt ở các miền Trung và lượng BXMT thu được càng cao khi di chuyển vềhướng phía Nam Với cường độ BXMT trung bình khoảng 5 kWh/m2, nhờ vào đặcđiểm địa lý nằm gần xích đạo cùng với khu vực Tây Nguyên có độ cao lớn Ở cácvùng phía Bắc thì có cường độ BXMT thấp hơn, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điềukiện thời tiết bất thuận lợi Ở nước ta, BXMT trung bình 230-250 kcal/cm2 chiếmkhoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷTOE [1] Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời luôn có sẵn quanh năm, khá ổn định vàphân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau Đặc biệt số ngày nắng trung bình trêncác tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trờiđược khai thác và sử dụng chủ yếu cho các mục đích sản xuất điện và cung cấp nhiệt.Với tất cả những điều kiện thuận lợi đó, chỉnh phủ Việt Nam ngày càng có nhiều hànhđộng khuyến khích phát triển loại hình năng lượng này

Bảng 1.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam

TRONG NĂM

CƯỜNG ĐỘ BXMT (kWh/m2, ngày) ỨNG DỤNG

mà không có quy hoạch Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này là do chi phí xâydựng, lắp đặt các thiết bị công nghệ, hệ thống pin năng lượng mặt trời khá đắt đỏ nênhiệu suất, sản lượng thu được là không cao Bên cạnh đó, trình tự thủ tục cấp phép xâydựng của Quốc gia và từng địa phương còn nhiều vướng mắc rườm rà Do đó, muốnnăng lượng mặt trời có thể phát triển mạnh mẽ và đạt mục tiêu đề ra, đòi hỏi phải cónhiều sự hỗ trợ từ các cơ quan quản lý, các cấp chính quyền

Hình 1.1 Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam

1.1.2 Xu hướng phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam:

Hiện nay, công nghệ NLMT được phân thành ba loại: Công nghệ quang điện(Solar Photovoltaic, PV) ; Công nghệ NLMT hội tụ (Concentrating Solar ThermalPower, CSP) hay công nghệ nhiệt điện mặt trời ; Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độthấp hay còn gọi là công nghệ nhiệt mặt trời (Solar thermal heating and cooling) [2]

Trong công nghệ quang điện, thiết bị thu và chuyển đổi NLMT là các mô đun

pin mặt trời (PMT), nó biển đổi trực tiếp NLMT thành điện năng (dòng một chiều,DC) Nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) dòng điện DC được chuyển thành dòng xoaychiều, AC Dàm PMT gồm nhiều môđun PMT ghép nối lại, có công suất từ vài chục

oát (W) đến vài chục MW Hiệu suất khá thấp, trong khoảng từ 12% đến 15% đối vớicác hệ thương mại Bù lại, hệ nguồn này có cấu trúc đơn giản, hoạt động tin cậy và lâudài, công việc vận hành và bảo trì bảo dưỡng cũng đơn giản và chi phí thấp.

Công nghệ nhiệt điện mặt trời, CSP thì các bộ thu NLMT là các bộ hội tụ (như

máng gương parabol, bộ hội tụ Fresnel, tháp hội tụ sử dụng các gương phẳng …) Quátrình chuyển đổi năng lượng thực hiện qua 2 bước Đầu tiên, NLMT được hội tụ đểtạo ra nguồn năng lượng có mật độ và nhiệt độ rất cao Sau đó nguồn NL này làm hóahơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao để cấp cho tua bin của máy phát điện để sản xuấtđiện Công nghệ này có hiệu suất chuyển đổi khá cao, khoảng 25%, nhưng nó chỉ cóhiệu quả ở các khu vực có mật độ NLMT cao hơn 5,5 kWh/m2 và không nhỏ hơn5MW Ngoài ra, cần có thêm thiết bị điều khiển các bộ thu theo dõi chuyển động mặttrời

Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp là công nghệ thu NLMT và chuyển đổi

thành nguồn năng lượng nhiệt có nhiệt độ thấp (dưới 2000oC) dựa trên hiệu ứng nhàkính Công nghệ này hiện nay chủ yếu được ứng dụng để sản xuất nước nóng (chosinh hoạt, cho các dây chuyền sản xuất công nghiệp …) Các bộ thu và chuyển đổiNLMT trong công nghệ này là các thiết bị nước nóng NLMT (TBNNMT) hay còn gọi

là Collector nhiệt mặt trời

Trong một vài năm trở lại đây, các công nghệ năng lượng mặt trời, đặc biệt làcông nghệ điện pin mặt trời đã có sự phát triển rộng khắp cả nước với tốc độ ấn tượng

Có thể nói từ đầu năm 2017 đến nay, các dự án điện mặt trời bùng nổ tại Việt Nam, cóthể điểm qua một số dự án như :

- Tỉnh Bình Thuận, dự án điện năng lượng mặt trời lớn nhất của tỉnh nằm ở xãSông Bình (huyện Bắc Bình) có công suất 200MW, chiếm diện tích đất tới 282 ha, doEVN làm chủ đầu tư Toàn bộ tiềm năng điện mặt trời chiếm khoảng 8.400 ha, vớicông suất được quy hoạch 5.000 MW Ngoài 37 nhà đầu tư đã được tỉnh cho phépnghiên cứ, khảo sát và chấp thuận đầu tư, hiện vẫn có khá nhiều nhà đầu tư đang đềnghị được tỉnh cho nghiên cứu, đo nắng và lập dự án

- Tỉnh Ninh Thuận cũng thu hút được nhiều dự án điện mặt trời Theo Sở CôngThương Ninh Thuận, toàn tỉnh có 8 dự án đã được chấp thuận đầu tư, khoảng 40 nhàđầu tư khác đến từ Hàn Quốc, Thái Lan, Đức, Trung Quốc đang nộp hồ sơ dự án vớiquy mô 30 – 100 MW

- Nhiều nhà đầu tư trong và ngoài nước đang xúc tiến nhiều dự án điện mặt trờicông suất từ 20 MW đến 300 MW tại các tỉnh khác như Tây Ninh, Hậu Giang, ĐồngNai, Quảng Ngãi, Thanh Hóa, Hà Tĩnh, …

Hình 1.2 Nhà máy điện mặt trời Hồng Phong 4 – tỉnh Bình Thuận

Hình 1.3 Nhà máy điện mặt trời BP Solar 1 – Ninh Thuận, với tổng mức đầu tư 1.315

tỉ đồng, công suất 46 MWp

1.2 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập:

1.2.1 Pin quang điện:

Pin năng lượng mặt trời (còn gọi là Pin quang điện – PV) là thiết bị bán dẫn giúpchuyển hóa trực tiếp năng lượng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điệnnăng) dựa trên hiệu ứng quang điện (là khả năng phát ra điện từ khi ánh sáng chiếuvào bề mặt vật chất)

Hình 1.4 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một tế bào pin mặt trời

Khi bị ánh sáng hay nguồn điện kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết,nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống điện tích dương trong vùnghóa trị Lúc này, chất bán dẫn sẽ tạo nên đường dẫn cho các điện tử tự do

Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc, các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyểnsang lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P Sau đó, các electron từ điện cực N và điệncực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường Các tế bào năng lượng mặt trời sẽ trở thànhmột diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, không cho phép

di chuyển ngược lại, tạo thành dòng điện một chiều Tất nhiên, để kích hoạt quá trìnhcần có năng lượng tiếp xúc với các tế bào silicon Ánh sáng mặt trời bản chất là cáchạt photon, các hạt nhỏ mang năng lượng này có thể tiếp xúc với các tế bào nănglượng mặt trời và nới lỏng liên kết của các electron ở điện cực N Sự di chuyển củacác elentron tự do từ điện cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện

Để tạo thành một hệ thống PV có công suất lớn, các tấm PV có thể được liên kếtvới nhau theo các mắc liên tiếp, song song hay hỗn hợp hai kiểu nối, tùy theo nhu cầu

về điện áp hay công suất sử dụng Thông thường, các tấm pin mặt trời có công suấtkhá nhỏ nên thường được liên kết với nhau và đặt trên một diện tích lớn để đạt hiệuquả tốt nhất Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay công nghệ PV đã trởnên phổ biến và có sự phát triển mạnh mẽ Có 3 loại hình PV đang được sử dụng rộngrãi: dạng mono (đơn tinh thể), dạng poly (đa tinh thể) và dạng phim mỏng [3-4]:

- Pin mặt trời Mono đơn tinh thể (Monocrystalline) hình thành cắt ra từ

những thỏi Silic hình ống, những tấm đơn tinh thể này có những mặt trống ngay gócnối Module Loại pin năng lượng mặt trời Mono hấp thụ ánh sáng mặt trời nhanh, kể

cả khi không có nắng, chỉ cần có ánh sáng loại pin này đã tạo ra điện, tiến hành đo Vhay A đều đầy đủ hai chỉ số với hiệu suất cao và khá đắt tiền

- Pin mặt trời Poly đa tinh thể (Polycrystalline) được làm từ những thỏi đúc

từ Silic đã nung chảy, làm nguội và làm rắn Loại pin mặt trời Poly có giá cả thấp hơnloại Mono đơn tinh thể và hiệu suất khá thấp Loại pin Poly hấp thụ ánh nắng mặt trờikhá chậm và phải đạt đến mức độ ánh nắng mặt trời nhất định mới hoạt động tốt Pinngưng hoạt động hoàn toàn khi thời tiết mây nhiều, âm u

- Pin mặt trời dạng phim mỏng được tạo ra từ những miếng phim rât mỏng từ

chất liệu Silic nóng chảy Có cấu trúc đa tinh thể và cho hiệu suất thấp nhất trong baloại pin Bỏ qua thao tác cắt thỏi Silicon nên loại pin mặt trời dạng phim mỏng có giáthành mềm nhất

Hình 1.5 Cấu tạo Pin Mono và Pin Poly

1.2.2 Ắc quy:

Ắc quy là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hóa Là nguồnđiện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trongđời sống hằng ngày như: động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi của các linh kiện

điện tử… Ắc quy là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động Hình 2.5 là loại

ắc quy được sử dụng trong mạch

Hình 1.6 Ắc quy 12V – 5Ah

Cho đến nay có rất nhiều loại ắc quy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc vàonhững điều kiện yêu cầu cụ thể của từng loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làm việc.Cũng như những tính năng kinh tế kỹ thuật của ắc quy có thể liệt kê một số loại sau:

- Ắc quy chì (ắc quy axit)

Phương pháp nạp cho ắc quy:

- Nạp với dòng không đổi:

Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạpthích hợp với mỗi loại ắc quy, đảm bảo cho ắc quy được nạp no Đây là phương pháp

sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho các ắc quy mới hoặcnạp sửa chữa cho các ắc quy bị sunfat hoá

Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng không đổi là thời gian nạp kéo dài

và yêu cầu các ắc quy đưa vào nạp có cùng cỡ dung lượng định mức Để khắc phụcnhược điểm thời gian nạp kéo dài người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điệnnạp thay đổi hai hay nhiêù nấc Trong trường hợp nạp hai nấc, dòng điện nạp ở nấcthứ nhất chọn bằng (0,3 - 0,5) C20 và kết thúc nạp ở nấc một khi ắc quy bắt đầu sôi.Dòng điện nạp ở nấc thứ hai bằng 0,05C20

- Nạp với điện áp không đổi:

Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi yêu cầu các ắc quy được mắc songsong với nguồn nạp Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng(2,3÷2,5) V cho một ngăn ắc quy đơn Đây là phương pháp nạp điện cho ắc quy lắptrên ôtô

Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng điệnnạp tự động giảm theo thời gian Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc quy khôngđược nạp no, vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ sung cho ắcquy trong quá trình sử dụng

Để đánh giá khả năng cung cấp điện của ắc quy người ta dùng vôn kế phụ tảihoặc đánh giá gián tiếp thông qua nồng độ dung dịch điện phân của ắc quy

+ Đối với ắc quy kiềm: Trình tự nạp cũng giống như ắc quy axit nhưng dokhả năng quá tải của ắc quy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In

=0,2 C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5 C10

.Các quá trình nạp ắc quy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn

áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc quy, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm vềkhông

Vì ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nênkhi ắc quy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc quy sẽ tựđộng dâng lên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc quy dẫn đến hỏng hóc nhanhchóng Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp trong ắc quy.Khi dung lượng của ắc quy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổnđịnh dòng nạp thì ắc quy sẽ sôi và làm cạn nước Do đó đến giai đoạn này ta lại phảichuyển chế độ nạp cho ắc quy sang chế độ ổn áp Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi

ắc quy đã thực sự no Khi điện áp trên các bản cực của ắc quy bằng điện áp nạp thì lúc

đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp

1.2.3 Bộ chuyển đổi DC/DC:

Với hệ thống pin mặt trời, các bộ chuyển đổi năng lượng một chiều DC/DC được

sử dụng rộng rãi với mục đích biến đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồnmột chiều ổn định có thể điều khiển được [5-6] Thông thường, bộ chuyển đổi đượctích hợp thêm các thuật toán MPPT nâng cao công suất đầu ra của pin, đạt được cựcđại Các phần tử, linh kiện cơ bản trong bộ chuyển đổi DC/DC bao gồm: van bán dẫn(khóa điện tử) có vai trò điều khiển hoạt động mạch, cuộn cảm để tích trữ năng lượng

và lọc dòng điện DC, tụ điện để hạn chế dao động điện áp và một diode dẫn dòng Có

2 loại bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC:

- Loại cách ly: Có máy biến áp để cách ly giữa hai nguồn điện đầu vào và đầu ra,

có thể sử dụng tỉ số biến áp để tăng hoặc giảm áp, độ an toàn cao, nhưng có nhiều hạnchế trong giá trị chuyển đổi

- Loại không cách ly, có các bộ biến đổi thường dùng:

+ Bộ biến đổi giảm áp (Buck Converter) : biến đổi điện áp đầu ra thấp hơnđiện áp đầu vào, có thể xác định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện

áp ra của pin vượt quá điện áp tham chiếu

+ Bộ biến đổi tăng áp (Boost Converter) : nâng điện áp đầu vào lên mức cao

Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra trước khi đưa vào bộchuyển đổi DC/AC.

+ Bộ biến đổi đảo dấu điện áp (Buck – Boost Converter) : là sự kết hợp củahai bộ biến đổi Buck và Boost, dùng để tăng hoặc giảm điện áp dựa trên cách điềukhiển van bán dẫn

+ Ngoài ra, còn có các bộ biến đổi khác như fly-back, bộ đẩy kéo (push –pull) , …

Hình 1.7 Các loại biến đổi DC/DC không cách ly

1.2.4 Bộ chuyển đổi DC/AC :

Bộ chuyển đổi DC/AC (hay còn gọi là bộ nghịch lưu) có các phần tử cấu tạo cơbản tương tự bộ chuyển đổi DC/DC Chức năng chính là chuyển đổi năng lượng mộtchiều thành năng lượng xoay chiều có giá trị tần số thay đổi tùy thuộc vào quy tắcđiều khiển van bán dẫn

Hình 1.8 Bộ chuyển đổi DC/AC

- Nghịch lưu phụ thuộc: tần số chính là tần số không thể thay đổi của lưới điện.Hoạt động của dạng nghịch lưu phụ thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duynhất là góc điều khiển α được xác định theo tần số và pha của lưới điện xoay chiều.

- Nghịch lưu độc lập : tần số do mạch điều khiển quyết định và có thể thay đổitùy ý, độc lập với lưới điện Nghịch lưu độc lập có ba loại : nghịch lưu điện áp, nghịchlưu dòng điện, nghịch lưu cộng hưởng

Hiện nay, nhiều bộ chuyển đổi DC/AC có thể làm việc ở cả hai chế độ : từ mộtchiều sang xoay chiều và ngược lại, từ xoay chiều sang một chiều Bộ chuyển đổi DC/

AC trong hệ thống PV có thể làm việc ở nhiều mức điện áp khác nhau tùy thuộc vàotính chất của hệ PV và tải được kết nối

CHƯƠNG 2: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC VÀ

BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/AC

2.1 Bộ chuyển đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter):

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động mạch tăng áp:

Mạch tăng áp có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào (Vo

> Vin) Nguồn áp một chiều được mắc nối tiếp với một cuộn cảm có vai trò như mộtnguồn dòng Một khóa chuyển mạch mắc song song được đóng mở theo chu kỳ và tụđiện dùng để lọc điện áp đầu ra như hình 2.1 dưới đây: [7-9]

L

S

D C

-+ +

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp

Mạch tăng áp làm việc luân phiên ở hai trạng thái : khóa S đóng và khóa S mở.Hai trạng thái thay đổi liên tục theo chu kỳ TS :

Trong đó :

- Ton : thời gian khóa S đóng

- Toff : thời gian khóa S mở

Khi khóa S đóng (Ton) thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh,dòng điện chạy vòng qua cuộn cảm về nguồn, là thời gian nạp năng lượng cho cuộncảm, dòng điện trong cuộn cảm tăng lên Trong khi đó, dòng điện không qua diode dophân cực ngược lúc này điện áp cung cấp cho tải được tạo ra từ năng lượng tích trữ ở

tụ Ở thời điểm này thì tải được cung cấp bởi tụ điện Ở chu kỳ đầu, có thể nói chỉ cónguồn và cuộn cảm làm việc ở trạng thái này, tụ điện chưa tích điện do đó tải chưađược cung cấp năng lượng làm việc Ở trạng thái làm việc của những chu kỳ tiếp theo,

khi tụ điện được nạp năng lượng ở những giai đoạn Toff của khóa thì điện áp của đầu

ra sẽ được duy trì và có trạng thái làm việc của các phần tử được mô tả như hình 2.2

L

C

-+ +

Hình 2.2 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng

Khi khóa S mở (Toff), lúc này ở cuối cuộn cảm xuất hiện một suất điện độngđược tạo nên từ việc thay đổi độ lớn dòng điện chạy qua cuộn cảm Điện áp được tạo

ra có xu hướng làm giảm sự thay đổi của dòng điện, lúc này cuộn cảm làm việc giốngnhư một nguồn điện nối tiếp với nguồn điện ban đầu Điện áp tại đầu ra lúc này bằngtổng điện áp nguồn cấp và điện áp ở cuộn cảm, thông qua diode cấp cho tải và đồngthời nạp cho tụ điện Hình 2.3 mô tả trạng thái làm việc của tải và chiều dòng điệnchạy trong mạch

L

C

-+ Off

+

IL

Hình 2.3 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S mở

Dạng sóng của điện áp và dòng điện trong thời gian một chu kỳ được thể hiện ởhình 2.4

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch tăng áp trong một chu kỳ

Dựa vào nguyên lý hoạt động và dạng sóng của điện áp và dòng điện ta có thểthiết lập được mối liên hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra như sau [10] :

- IL = Ic + Io : dòng điện qua cuộn cảm

- IC : dòng điện qua tụ điện

T S : hệ số làm việc của khóa S

- I0 (A) : dòng điện đầu ra

∆ I L(A) : dao động của dòng điện qua cuộn cảm L

Vì hệ số băm xung D ≤ 1 nên Vo luôn nhỏ hơn Vin

2.1.2 Thiết kế, tính toán mạch tăng áp :

Hệ thống được thiết kế để cung cấp cho tải có điện áp 48V và công suất 1000W

Vì vậy, thông số của mạch tăng áp được thiết kế như sau :

- Điện áp vào Vin = 48 VDC

- Hệ số băm xung D = 0,65

- Công suất cực đại Pmax = 100 W

Theo nguyên lý hoạt động đã đề cập ở mục 2.1.2, ta có được điều kiện chọn cuộncảm theo công thức [10-11]:

L ≥ V o−V i

Trong đó:

Vo(V) là điện áp đầu ra

Vin (V) là điện áp đầu vào

fs (Hz) là tần số đóng cắt cài đặt cho khóa điện tử

∆ I L(A) là độ dao động dòng điện đi qua cuộn cảm Độ dao động dòng điện nàyđược tính theo công thức (2.4 và 2.5), tuy nhiên độ lớn của cuộn cảm có thể được ướclượng bằng 20  40% độ lớn dòng điện đầu ra Io (Io được tính với tải là điện trởthuần)

∆ I L=(0,2 ÷0,4 )× Io (2.7)Thông thường giá trị ∆ I L được chọn thấp hơn mức ước lượng để đảm bảo được

C(F) là điện dung của tụ điện

∆ I L(A) là độ dao động dòng điện đi qua cuộn cảm, được tính trong công thức

fs(Hz) là tần số đóng cắt của khóa điện tử S.

∆ V o(V) là độ dao động điện áp đầu ra ∆ V o càng nhỏ càng thì dạng sóng đầu ramột chiều càng phẳng (độ dao động bé)

Dòng điện chuyển mạch lớn nhất được tính:

Iout(max) (A) là độ dòng điện ra cực đại

Trong đồ án này, bộ chuyển đổi kiểu Boost được thiết kế có thông số như sau:

- Đối với bộ Boost 1: điện áp nguồn Vin = 48V, hệ số băm xung D = 0,65 , tần sốchuyển mạch fS = 50 kHz Chọn độ dao động điện áp đầu ra là ΔVVo = 0,5% Từ đó, tatính được các thông số sau:

- Độ dao động điện áp đầu ra : ΔVVo = 0,005 × Vo = 0,686 (V)

- Điện dung của tụ điện:

- Đối với bộ Boost 2: điện áp nguồn Vin = 137,143 (V), hệ số băm xung D = 0,65, tần số chuyển mạch fS = 50 kHz Chọn độ dao động điện áp đầu ra là ΔVVo = 0,5%.

Từ đó, ta tính được các thông số sau:

- Độ dao động điện áp đầu ra : ΔVVo = 0,005 × Vo = 1,959 (V)

- Điện dung của tụ điện:

Từ đây, ta tiến hành mô hình hóa mạch tăng áp bằng các mô hình toán học và

mô phỏng khả năng hoạt động của mạch

2.2 Bộ chuyển dổi DC/AC cầu H một pha:

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động:

Bộ nghịch lưu cầu H một pha có cấu tạo bao gồm bốn van bán dẫn T1, T2, T3,T4 hoạt động độc lập với nhau và được đóng mở theo phương pháp điều khiển đốixứng [16-17]

Giả sử T2 và T4 đang cho dòng chạy qua (dòng tải đi từ B đến A) Khi t = 0, choxung mở T1 và T3, T2 và T4 bị khóa lại, dòng tải i s = -Im không thể đảo chiều 1 cáchđột ngột Nó tiếp tục chạy theo chiều cũ nhưng theo mạch D1 đến E đến D3 đến tảiđến D1 và suy giảm dần, D1 và D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa kịp mở đã bị khóalại Khi t =t1, i = 0, D1 và D3 bị khóa lại, T1 và T3 sẽ mở lại do vẫn còn xung điềukhiển tác động ở các cực G1, G3 dòng tải i>0 và tăng chảy theo chiều từ A đến B