Thiết kế bộ điều khiển sạc từ pin mặt trời có tích hợp cảnh báo nguồn cho các ứng dụng cấp nguồn độc lập

Đề tài nghiên cứu bộ điều khiển sạc pin mặt trời sử dụng bộ biến đổi DC/DC chuyển mạch mềm, trình bày phương pháp thiết kế, kiểm tra, thực nghiệm và các kết quả.. Các kết quả của đề tài

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN NAM DƯƠNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC TỪ PIN MẶT TRỜI

CÓ TÍCH HỢP CẢNH BÁO NGUỒN CHO CÁC ỨNG DỤNG CẤP NGUỒN ĐỘC LẬP

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 52 50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06/2014

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên: Nguyễn Nam Dương MSHV: 12180103

Ngày, tháng, năm sinh: 22 –06– 1987 Nơi sinh: TT.Huế

Chuyên ngành : Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện Mã số: 605250

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC TỪ PIN MẶT TRỜI CÓ TÍCH HỢP CẢNH BÁO NGUỒN CHO CÁC ỨNG DỤNG CẤP NGUỒN ĐỘC LẬP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

i Đề xuất phương pháp ước lượng trạng thái điện lượng ắc quy mới đơn giản với chi phí thực hiện thấp, sai số cho phép

ii Hiện thực bộ sạc ắc quy sử dụng phương pháp ước lượng đề xuất

iii Nghiên cứu và thiết kế các bộ biến đổi DC/DC bán cộng hưởng hiệu suất cao

iv Thực nghiệm kiểm chứng phương án thiết kế trên bộ điều khiển sạc pin mặt trời

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21 – 01 – 2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20 – 06 – 2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: NGUYỄN QUANG NAM

LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin được gửi lời cám ơn chân thành đến Ba Mẹ người

đã sinh ra và có công dưỡng dục cho con nên người

Xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả thầy cô, giảng viên trường Đại học Bách Khoa- Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh đã truyền đạt tất cả những kiến thức bổ ích cho chúng tôi, giúp chúng tôi có cơ sở

để hoàn thành đề tài này

Đặc biệt, tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Quang Nam đã giúp đỡ tôi nhiều mặt về kỹ thuật cũng như tinh thần, cho chúng tôi những lời khuyên bổ ích và kịp thời trong những lúc khó khăn nhất

Ngoài ra, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè, người thân đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Đề tài khảo sát hệ thống điện mặt trời độc lập công suất nhỏ (dưới 250W) chi phí thấp Đề tài nghiên cứu và đưa ra một phương pháp ước lượng điện lượng ắc quy chì axit mới phù hợp với hệ thống điện khảo sát Đề tài nghiên cứu bộ điều khiển sạc pin mặt trời sử dụng bộ biến đổi DC/DC chuyển mạch mềm, trình bày phương pháp thiết kế, kiểm tra, thực nghiệm và các kết quả

Bộ ước lượng điện lượng ắc quy chì axit thực hiện trong đề tài là bộ ước lượng mới, trực tiếp, đơn giản, không mất tính liên tục của hệ thống, với chi phí thực hiện thấp và sai số ước lượng cho phép (dưới 5%) Mô hình bộ ước lượng, thuật toán đề xuất và các kết quả kiểm nghiệm thực tế được công bố tại hội nghị ISEE2013 (The

2013 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering) được tổ chức tại Đại học Bách Khoa TP HCM tháng 11/2013

Bộ biến đổi DC/DC chuyển mạch mềm sử dụng trong đề tài là bộ biến đổi bán cộng hưởng Đề tài nghiên cứu và đưa ra phương pháp thiết kế các bộ biến đổi cơ bản, tính toán và mô phỏng kiểm tra cũng như thực hiện một bộ biến đổi tăng giảm áp kiểm chứng thực tế Kết quả kiểm tra và kiểm nghiệm là khá thành công trong đề tài Tổn hao trong quá trình chuyển mạch của bộ biến đổi đã giảm đáng kể khi hoạt động

ở tần số 100kHz, hiệu suất của mạch đạt khoảng 90%

Các kết quả của đề tài thu được từ phương pháp ước lượng điện lượng ắc quy

và phương pháp thiết kế bộ biến đổi bán cộng hưởng có thể được ứng dụng trên thực

tế trong hệ thống điện mặt trời độc lập công suất nhỏ chi phí thấp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Quang Nam

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

TP.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2014

Người thực hiện

Nguyễn Nam Dương

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG vi

KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN vii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu 1

1.1 Mục tiêu của đề tài 2

1.2 Tầm quan trọng của đề tài 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Giới hạn của đề tài 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ 5

2.1 Ắc quy chì axit 5

2.1.1 Ắc quy chì axit trong hệ thống điện mặt trời độc lập 5

2.1.2 Mô hình mạch tương đương của ắc quy 5

2.2 Ước lượng trạng thái điện lượng của ắc quy chì axit 10

2.2.1 Đo điện áp hở mạch 11

2.2.2 Phương pháp đếm Ah hay đếm Coulomb 11

2.2.3 Phương pháp dùng thuật toán thích nghi 11

2.2.4 Phương pháp lai 12

2.3 Bộ điều khiển sạc từ pin mặt trời 12

2.3.1 Phân loại bộ điều khiển sạc 13

2.3.2 Bộ biến đổi DC/DC chuyển mạch mềm 14

2.3.3 BBĐ bán cộng hưởng và ứng dụng 17

2.4 Kết luận 18

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG SOC ẮC QUY ĐỀ XUẤT VÀ HIỆN THỰC 19

3.1 Bài toán ước lượng 19

3.2 Phân tích mô hình ắc quy đề xuất 20

3.2.1 Mạch tương đương 20

3.2.2 Quá trình xả ắc quy 20

3.2.3 Quá trinh sạc ắc quy 21

3.3 Thuật toán ước lượng SOC 22

3.3.1 Đường đặc tuyến OCV-SOC 22

3.3.2 Thuật toán ước lượng SOC 23

3.4 Thực hiện, kết quả 24

3.4.1 Thiết kế bộ ước lượng SOC 24

3.4.2 Tính toán thông số bộ ước lượng SOC 25

3.4.3 Kết quả 26

KẾT LUẬN 28

CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI CHUYỂN MẠCH MỀM BÁN CỘNG HƯỞNG 29

4.1 Kỹ thuật ZCS, ZVS trong các BBĐ QRC 29

4.1.1 Tổn hao chuyển mạch ở ZCS, ZVS 29

4.1.2 Ưu điểm, nhược điểm của kỹ thuật ZCS, ZVS 30

4.1.3 Khóa cộng hưởng: 31

4.2 Phân Tích bộ chuyển đổi DC/DC dùng kỹ thuật ZCS-QRC 31

4.2.1 Khóa cộng hưởng: 31

4.2.2 Mạch hạ áp buck ZCS-QRC: 32

4.2.3 Mạch nâng áp Boost ZCS-QRC: 39

4.2.4 Mạch nâng-hạ áp SEPIC ZCS-QRC: 41

4.3 Phân Tích bộ chuyển đổi DC/DC dùng kỹ thuật ZVS-QRC 43

4.3.1 Khóa cộng hưởng: 43

4.3.2 Mạch hạ áp buck ZVS-QRC: 43

4.3.3 Mạch tăng áp Boost ZVS-QRC: 50

4.3.4 Phân tích mạch SEPIC ZVS-QRC: 52

4.4 Nhận xét 55

4.4.1 Bộ biến đổi ZCS-QRC 55

4.4.2 Bộ biến đổi ZVS-QRC 56

4.4.3 Điều khiển công suất ở ZVS-QRC 56

4.5 Kết luận 58

5.1.1 Quy trình thiết kế bộ ZVS-QRC 60

5.1.2 Tính toán thông số Lr Cr 61

5.1.3 Tính toán xác định Dmin, Dmax 61

5.1.4 Tính toán xác định tần số chuyển mạch 62

5.2 Mô phỏng các BBĐ ZVS-QRC 62

5.2.1 Bộ Buck ZVS-QRC 63

5.2.2 Bộ Boost ZVS-QRC 66

5.2.3 Bộ SEPIC ZVS-QRC 70

5.2.4 Nhận xét 73

5.3 Thực nghiệm 73

5.3.1 Thực hiện phần cứng 73

5.3.2 Kết quả 75

5.3.3 Nhận xét 80

5.4 Kết luận 80

CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81

6.1 Đánh giá phương án thiết kế: 81

6.1.1 Bộ ước lượng SOC 81

6.1.2 BBĐ chuyển mạch mềm bán cộng hưởng 81

6.2 Kết luận: 82

6.3 Hướng phát triển đề tài: 82

6.4 Lời kết 82

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Mô hình đơn giản của ắc quy chì axit 6

Hình 2.2 Mô hình Thevenin 6

Hình 2.3 Mô hình Thevenin hiệu chỉnh 7

Hình 2.4 Mô hình đầy đủ dạng tổng quát 8

Hình 2.5 Mô hình đầy đủ dạng tổng quát 9

Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ biến đổi DC/DC chuyển mạch mềm 14

Hình 2.7 Tổn hao năng lượng trong chuyển mạch khóa công suất 15

Hình 2.8 So sánh tổn hao năng lượng trong hai loại chuyển mạch 15

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ ước lượng SOC 19

Hình 3.2 Mạch tương đương của mô hình đề xuất 20

Hình 3.3 Chế độ xả của ắc quy 20

Hình 3.4 Quá trình sạc ắc quy 21

Hình 3.5 Đồ thị sạc và xả của ắc quy 22

Hình 3.6 Ước lượng SOC dùng tuyến tính hóa đồ thị 24

Hình 3.7 Bộ lưu dữ liệu 25

Hình 3.8 Tuyến tính hóa đường sạc/xả tại C/10 25

Hình 3.9 Đặc tuyến OCV-SOC thực nghiệm 26

Hình 3.10 Thực nghiệm ước lượng SOC ở quá trình xả 27

Hình 3.11 Bộ ước lượng cải tiến trong quá trình xả 27

Hình 4.1 Quỹ đạo dòng điện, điện áp trong chuyển mạch thông thường 29

Hình 4.2 Quỹ đạo dòng điện, điện áp trong QRC 30

Hình 4.3 (a) Khóa cộng hưởng ở ZCS (b) Khóa cộng hưởng ở ZVS 31

Hình 4.4 Cách sắp xếp khóa cộng hưởng theo ZCS 32

Hình 4.5 Sơ đồ mạch biến đổi hạ áp Buck 32

Hình 4.6 Các trạng thái hoạt động của Buck ZCS-QRC 33

Hình 4.7 Dạng sóng của mạch Buck ZCS-QRC (a )Bán sóng (b) Toàn sóng 34

Hình 4.8 Mối quan hệ giữa M và fns các chế độ: (a) Bán sóng và (b) Toàn sóng 38

Hình 4.9 Sơ đồ mạch biến đổi nâng áp Boost 39

Hình 4.10 Mối quan hệ giữa M và fns các chế độ: (a) Bán sóng, (b) Toàn sóng 40

Hình 4.11 Sơ đồ mạch biến đổi hạ-nâng áp SEPIC ZCS-QRC 41

Hình 4.12 Mối quan hệ giữa M và fns các chế độ: (a) Bán sóng, (b) Toàn sóng 42

Hình 4.13 Cách sắp xếp khóa cộng hưởng theo ZVS 43

Hình 4.14 Sơ đồ mạch biến đổi hạ áp Buck ZVS-QRC 44

Hình 4.15 Các trạng thái hoạt động của Buck ZVS-QRC 44

Hình 4.16 Dạng sóng của mạch Buck ZVS-QRC (a) Bán sóng (b) Toàn sóng 45

Hình 4.17 Mối quan hệ giữa M và fns các chế độ: (a) Bán sóng và (b) Toàn sóng 49 Hình 4.18 Sơ đồ mạch biến đổi tăng áp Boost ZVS-QRC (a) Mạch đầy đủ (b) Mạch đơn giản 50

Hình 4.20 Sơ đồ mạch biến đổi hạ-nâng áp SEPIC ZVS-QRC (a) Mạch đầy đủ (b)

Mạch đơn giản 52

Hình 4.21 Mối quan hệ giữa M và fns các chế độ: (a) Bán sóng, (b) Toàn sóng 54

Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng mạch Buck ZVS-QRC bằng LTspice 65

Hình 5.2 Dạng sóng dòng điên và điện áp trên khóa mạch Buck ZVS-QRC 65

Hình 5.3 Các dạng sóng dòng điên và điện áp trên khóa cộng hưởng 66

Hình 5.4Sơ đồ mô phỏng mạch Boost ZVS-QRC bằng LTspice 69

Hình 5.5 Dạng sóng dòng điên và điện áp trên khóa mạch Boost ZVS-QRC 69

Hình 5.6 Sơ đồ mô phỏng mạch SEPIC ZVS-QRC dùng LTspice 72

Hình 5.7 Dạng sóng dòng điên và điện áp trên khóa mạch SEPIC ZVS-QRC 72

Hình 5.8 Mạch SEPIC ZVS-QRC thực nghiệm Sơ đồ mạch nguyên lý, (b) Mạch sau khi hoàn thành 74

Hình 5.9 Thực nghiệm kiểm tra mạch SEPIC ZVS-QRC 75

Hình 5.10 Tổn hao công suất trên mạch SEPIC ZVS-QRC thực nghiệm (a) Thực nghiệm (b) Mô phỏng 76

Hình 5.11 Dạng sóng vCr và iLr thực nghiệm (a) Thực nghiệm (b) Mô phỏng 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Phân loại bộ biến đổi chuyển mạch mềm cộng hưởng 16

Bảng 3.1 Điện trở nội ắc quy theo quá trình thí nghiệm với dòng C/10 26

Bảng 4.1 Khoảng thời gian các trạng thái hoạt động 55

Bảng 5.1 Bảng công thức tính khoảng thời gian trạng thái hoạt động 62

Bảng 5.2 Bảng các khoảng thời gian trạng thái mạch Buck ZVS-QRC 64

Bảng 5.3 Bảng các khoảng thời gian trạng thái mạch Boost ZVS-QRC 68

Bảng 5.4 Bảng các khoảng thời gian trạng thái mạch SEPIC ZVS-QRC 71

KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

NLMT : Năng lƣợng mặt trời

DC/DC : Chuyển đổi điện áp DC/DC

BBĐ : Bộ biến đổi

SEPIC : Single-ended primary-inductor converter

: BBĐ cuộn dây sơ cấp tham khảo chung ZCS : Zero-current switching

Chuyển mạch không dòng điện ZVS : Zero-voltage switching

Chuyển mạch không điện áp QRC : Quasi resonant converter

Chuyển mạch không dòng điện EMI : Electromagnetic Interference

Nhiễu điện từ SOC : State of charge

Trạng thái điện lƣợng OCV : Open circuit voltage

Điện áp hở mạch

Trên thực tế các hệ thống hoạt động độc lập, như các hệ thống đo lường nước, hệ thống quan trắc môi trường, thủy văn, thường nằm những khu vực vùng sâu vùng xa không có lưới điện hoặc nếu tiến hành lắp đặt lưới điện sẽ phát sinh chi phí rất cao cho hệ thống Các hệ thống này cần nguồn công suất nhỏ cung cấp ổn định để hệ thống hoạt động liên tục các ngày trong năm Năng lượng mặt trời là chọn lựa tốt nhất, phù hợp cho những ứng dụng này Hệ thống pin mặt trời kết hợp

hệ thống ắc quy dự trữ năng lượng giúp ổn định cung cấp điện, bảo đảm tính liên tục cho hệ thống Tuy nhiên, năng lượng mặt trời là bất định, do đó hệ thống điện mặt trời độc lập này đòi hỏi yêu cầu phải có cơ chế cảnh báo nguồn hoạt động đề phòng các trường hợp không mong muốn xảy ra làm mất tính liên tục của hệ thống Ngoài ra hệ thống điện mặt trời còn thỏa yêu cầu chi phí thực hiện thấp để giảm thiểu giá thành hệ thống Điều này dẫn đến nhu cầu tạo ra một bộ điều khiển phí chi phí thấp, hiệu suất cao với yêu cầu về sự ước lượng trạng thái điện lượng ắc quy tương đối chính xác

Đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển sạc từ pin mặt trời có tích hợp cảnh báo nguồn cho các ứng dụng cấp nguồn độc lập” nghiên cứu và đưa ra giải pháp ước lượng trạng thái điện lượng cho hệ ắc quy dự trữ của hệ thống điện độc lập, giúp cho việc giám sát hoạt động và đưa ra cảnh báo nguồn phù hợp, duy trì tính ổn định

ắc quy từ hệ pin mặt trời Các nghiên cứu này nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, giảm thiểu chi phí hệ thống, sử dụng năng lượng từ hệ pin mặt trời cung cấp cho các ứng dụng hoạt động độc lập ở những vùng sâu vùng

xa chưa có điện với giá thành thấp mà vẫn đảm bảo các yêu cầu hoạt động của hệ thống

1.1 Mục tiêu của đề tài

Hệ thống điện mặt trời độc lập chi phí rẻ với các mục đích nghiên cứu được trình bày ở trên, đề tài đưa ra các mục tiêu như sau:

 Đề xuất phương pháp ước lượng trạng thái điện lượng ắc quy mới đơn giản với chi phí thực hiện thấp, sai số cho phép

 Hiện thực bộ sạc ắc quy sử dụng phương pháp ước lượng đề xuất

 Nghiên cứu và thiết kế các bộ biến đổi DC/DC bán cộng hưởng với hiệu suất chuyển đổi được cải thiện

 Thực nghiệm kiểm chứng phương án thiết kế trên bộ điều khiển sạc pin mặt trời

1.2 Tầm quan trọng của đề tài

Đề tài phân tích và giải quyết vấn đề ước lượng điện lượng và cảnh báo ắc quy với phương pháp ước lượng đơn giản, dễ dàng áp dụng cho hệ thống điện mặt trời độc lập, giúp nâng cao hiệu quả quản lý và sự an toàn của những hệ thống Phương pháp này, với những thay đổi đơn giản, cũng có thể áp dụng cho các hệ thống độc lập khác

Ngoài ra, đề tài còn đưa ra phương án thiết kế bộ điều khiển sạc pin mặt trời

có hiệu suất cao hơn so với các bộ biến đổi DC/DC thông thường Bộ điều khiển này giúp cho việc nhận năng lượng cực đại từ pin mặt trời, làm tăng hiệu suất hệ thống Với các kết quả đạt được trong đề tài, phương pháp thiết kế bộ biến đổi này còn được ứng dụng vào các hệ thống chuyển đổi công suất khác

Như vậy đề tài nghiên cứu giải quyết hai vấn đề trong hệ thống điện mặt trời độc lập là tối ưu hoạt động của hệ thống (cảnh báo nguồn) và tối ưu công suất sử dụng của hệ thống, tăng tính hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng mặt trời

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài khảo sát hệ thống điện mặt trời độc lập công suất nhỏ chi phí thấp, tải hoạt động ổn định, gồm một ắc quy chì axit, bộ điều khiển sạc và hệ pin mặt trời với công suất nhỏ hơn 250W

Đối tượng nghiên cứu của đề tài phương pháp ước lượng trạng thái điện lượng ắc quy chì axit, trực tiếp, chi phí thấp, sai số ước lượng cho phép (dưới 5%)

Ngoài ra, đề tài còn nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sạc pin mặt trời dùng

bộ biến đổi chuyển mạch mềm loại bán cộng hưởng

1.4 Giới hạn của đề tài

Đề tài đề xuất phương pháp ước lượng được thực hiện trên một ắc quy chì axit, không áp dụng trên hệ nhiều ắc quy dự trữ năng lượng Với hệ thống dự trữ lớn hơn, đòi hỏi độ chính xác cao hơn, cần áp dụng những phương pháp ước lượng khác phù hợp

Đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sạc dùng bộ biến đổi bán cộng hưởng trong các ứng dụng công suất nhỏ, các thông số đầu vào thấp Đối với những dải công suất lớn hơn cần nghiên cứu các bộ biến đổi chuyển mạch mềm phù hợp

Bộ điều khiển sạc pin mặt trời chưa tích hợp các thuật toán tìm điểm công suất cực đại của hệ pin mặt trời

Các kết quả thực nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm, chưa ứng dụng ra thực tế

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng các phương pháp phân tích, đánh giá, khảo sát thu thập dữ liệu, mô phỏng, thực nghiệm để thực hiện đề tài

 Tổng hợp và phân tích các phương pháp ước lượng, các mô hình ắc quy, các bộ biến đổi cộng hưởng được nghiên cứu trên thế giới Đánh giá các phương án đó, lựa chọn hoặc đề xuất phương án phù hợp mục đích nghiên cứu

 Phân tích, đánh giá các dữ liệu thu thập để xây dựng phương pháp ước lượng phù hợp

 Phân tích, so sánh và đánh giá các kết quả mô phỏng, thực nghiệm của các bộ ước lượng và bộ điều khiển sạc dùng bộ biến đổi bán cộng hưởng

 Thiết kế, thi công bộ điều khiển sạc pin mặt trời dùng phương pháp thiết

kế bộ điều khiển bán cộng hưởng đề xuất

Tóm lại, sau khi xác định đầy đủ các thành phần của đề tài nghiên cứu như trên ta tiến hành thực hiện nội dung của đề tài, được trình bày ở các chương tiếp theo của đề tài

2.1.1 Ắc quy chì axit trong hệ thống điện mặt trời độc lập

Trên thực tế ắc quy chì axit được ứng dụng rất nhiều trong hệ thống dự trữ cung cấp nguồn cho hệ thống viễn thông, hệ thống dự trữ trong các bộ lưu điện,… Trong hệ thống điện mặt trời độc lập, ắc quy chì axit là thành phần lưu trữ năng lượng chủ đạo Tuy nhiên, sự bất định của năng lượng mặt trời (NLMT) gây ra sự không liên tục cung cấp điện cho tải sử dụng, vì thế hệ thống điện mặt trời độc lập công suất nhỏ cần sử dụng hệ thống bình ắc quy để dự trữ năng lượng Mục đích của hệ thống này là cung cấp điện liên tục cho tải, tạo sự ổn định và liên kết pin mặt trời với tải trong hệ thống

Với mục đích đưa ra được các cảnh báo nguồn phù hợp cho ắc quy ta tiến hành phân tích các mô hình ắc quy, chọn ra mô hình phù hợp cho hệ thống đang khảo sát

2.1.2 Mô hình mạch tương đương của ắc quy

Để hiểu đúng hơn về các hoạt động xảy ra trên hai đầu cực của ắc quy, nhiều

mô hình điện của ắc quy đã được các nhà nghiên cứu đưa ra [1-5] bằng cách sử dụng các phần tử điện thông thường Điều này giúp đỡ rất nhiều cho các kỹ sư điện khi phân tích hoạt động của ắc quy Dưới đây là một số mô hình điện thường gặp

2.1.2.1 Mô hình đơn giản Rint

Đây là mô hình tuyến tính sử dụng các thành phần điện bao gồm điện áp hở mạch (Open circuit voltage (OCV)) và điện trở nội ắc quy Mô hình được thể hiện như hình dưới

Hình 2.1 Mô hình đơn giản của ắc quy chì axit

Mô hình đơn giản này chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống mà ắc quy không chịu ảnh hưởng nhiều từ mạch bên ngoài Nó không thể hiện được sự biến thiên của nội trở ắc quy do sự thay đổi của nhiệt độ, trạng thái điện lượng (SOC), điện phân ắc quy

lý bởi vì tất cả thông số ắc quy đều phụ thuộc vào SOC và đặc tuyến xả và nhiệt độ

2.1.2.3 Mô hình Thevenin hiệu chỉnh

Đây là mô hình được hiệu chỉnh từ mô hình Thevenin bằng cách thêm vào một số cặp RC, các điốt định hướng dòng điện hoặc các khóa đóng cắt lý tưởng [1]

Mô hình được thể hiện như hình 2.3, đây là một trong các sơ đồ hay gặp của loại

mô hình này Ưu điểm của mô hình này là thể hiện được các quá trình biểu hiện của

ắc quy sau khi thay đổi trạng thái nạp xả thông qua điều khiển dòng nạp các cặp RC bằng điốt và công tắc điều khiển

Hình 2.3 Mô hình Thevenin hiệu chỉnh

2.1.2.4 Mô hình đầy đủ dạng tổng quát

Mô hình đầy đủ dạng tổng quát [5] gồm hai nhánh: nhánh chính và nhánh ký sinh, bao gồm khối RC, ngồn áp Em, hai điện trở R2 và RG Mô hình này mô tả đầy

đủ các thông số hoạt động của ắc quy Thông số của mô hình là hàm của SOC và nhiệt độ Biến của mô hình là dòng I1, I2, trạng thái điện lượng QC, nhiệt độ nhiệt độ bên trong ắc quy

Hình 2.4 Mô hình đầy đủ dạng tổng quát

Các biểu thức tính toán của mô hình gồm:

1

I I dt

1 R C

1

),

(1.5))

1 )(

273 (

p p

p

V

V G

v I





1exp

0 0

(1.7)Trong đó: Em0, Gp0,Vp0,Ap là các hằng số cụ thể từng ắc quy

R0 : điện trở giữa ắc quy và môi trường

θa : nhiệt độ môi trường

2.1.2.5 Mô hình đẩy đủ dạng đơn giản

Mô hình đẩy đủ dạng đơn giản [5] là mô hình giản lược từ mô hình trên, xem hình 2.5 Mô hình này gồm hai nhánh: nhánh chính tương ứng với các đặc tính chính và nhánh ký sinh tượng trưng cho hoạt động của ắc quy tại giai đoạn cuối quá

trình sạc Cấu trúc này không thể hiện đƣợc các phản ứng hóa học xảy ra bên trong

ắc quy, nhƣng nó thể hiện đƣợc các hoạt động trên hai đầu cực ắc quy Thông số của mô hình là hàm phi tuyến của SOC, nhiệt độ Mô hình đƣợc mô phỏng 1000 lần theo dữ liệu phòng thí nghiệm với sai số không vƣợt quá 3.2% [5]

Hình 2.5 Mô hình đầy đủ dạng tổng quát

Trong đó:

) 1

)(

273 (

00

) ln(

p

p PN p

PN

V

s t V G

V I





1)

1/(

exp

0 0

Với: Em0 : điện áp hở mạch lúc sạc đầy

θ : nhiệt độ phản ứng điện phân

R00 : giá trị R0 tại SOC = 1 τ1 : thời hằng qua 2 nhánh (giây)

Im : dòng điện qua nhánh chính I* : dòng điện qua ắc quy

A0, K0, E, R10, R20, A21, A22 là các hằng số

2.1.2.6 Nhận xét

Từ các mô hình ắc quy trên, nhận thấy rằng mô hình đầy dạng đơn giản và dạng tổng quát quá nhiều biến số khiến việc tính toán ước lượng phức tạp hơn rất nhiều, do đó chi phí đo lường thử nghiệm tăng lên Mô hình đơn giản không phản ánh được thay đổi bên ngoài tác động vào ắc quy Mô hình Thevenin và Thevenin

mở rộng với các ưu điểm của nó rất phù hợp cho việc thực hiện một giải pháp ước lượng chi phí thấp, đơn giản và hiệu quả Đề tài chọn sử dụng mô hình Thevenin

mở rộng để thể hiện các đường đặc tuyến sạc xả ắc quy trong việc phân tích và đề xuất thuật toán ước lượng điện lượng ắc quy (được tình bày ở chương tiếp theo của luận văn)

Phần tiếp theo ta tìm hiểu về các phương pháp ước lượng điện lượng ắc quy hiện tại, xem xét đánh giá các phương pháp này để chọn lựa phương pháp phù hợp cho yêu cầu của hệ thống đang khảo sát

2.2 Ước lượng trạng thái điện lượng của ắc quy chì axit

Như đã đề cập trong các phần trước, ắc quy chì axít được sử dụng trong nhiều ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao, hoạt động ổn định Sự ước lượng chính xác trạng thái ắc quy là một yêu cầu cấp thiết trong các hệ thống hoạt động liên tục như

sử dụng như xe điện, nguồn điện viễn thông, hệ thống điện mặt trời độc lập Do đó trong ngành công nghiệp đã phát triển rộng rãi một số phương pháp ước lượng trạng thái điện lượng (State Of Charge (SOC)) ắc quy [6,8] Dự toán chính xác SOC có thể tránh ắc quy khỏi các trạng thái xả sâu hoặc thường xuyên quá sạc, hai trường hợp này đều làm giảm đáng kể tuổi thọ của ắc quy Các phương pháp này tùy thuộc vào phương thức tiến hành mà được sử dụng phù hợp cho các ứng dụng khác nhau

2.2.1 Đo điện áp hở mạch

Phương pháp đo điện áp hở mạch (Open circuit voltage method (OCV)) sử dụng điện áp của một ngăn ắc quy như một chỉ số hiện thời của SOC Chỉ số SOC của ắc quy được xem là một hàm tuyến tính của OCV Mặc dù phương pháp đo OCV được biết đến như một phương pháp chỉ ra giá trị chính xác của SOC, phương pháp này không thể xem là một phương pháp giám sát thời gian thực vì đòi hỏi phải

có thời gian nghỉ khá lâu để nó có thể đạt trạng thái ổn định trước khi đọc OCV ắc quy Phương pháp này không thể áp dụng cho các hệ thống điện mặt trời độc lập vì các yêu cầu liên tục cấp điện của hệ thống này

Kết quả của phương pháp này có thể thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện đo, mức độ thực tế điện áp, nhiệt độ, tốc độ xả và tuổi thọ của ắc quy [6]

2.2.2 Phương pháp đếm Ah hay đếm Coulomb

Phương pháp này còn gọi là phương pháp trực tiếp [7,8], gồm quá trình lấy tổng năng lượng lấy ra từ pin SOC hiện tại của pin chỉ đơn giản là SOC cực đại trừ

đi dòng điện nhân với thời gian mà dòng đó đi ra khỏi ắc quy Về mặt lý thuyết, đây

là một phương pháp đơn giản để thực hiện, tuy nhiên, thực tế nó có nhiều bất lợi Dòng điện là thay đổi theo các hoạt động ắc quy, dẫn tới phép đo trong thời gian dài

sẽ đưa ra sai số phép đo lớn hơn trong quá trình tích lũy đo đạc Ngoài ra, phương pháp này dựa trên quá trình xả, do đó nếu không có kiến thức về các đường đặc tuyến xả (thời gian, dòng điện xả) thì không thể ước tính được SOC hiện thời NLMT là bất định, như vậy, phương pháp này không dùng được cho hệ thống điện mặt trời đang xét vì dòng điện sạc ắc quy luôn biến đổi theo NLMT

2.2.3 Phương pháp dùng thuật toán thích nghi

Phương pháp này là dùng các thuật toán thích nghi như bộ lọc Kalman, mạng Neural,… để ước lượng SOC [9-11] Hệ thống thích nghi là những hệ thống thiết kế

có thể được tự động điều chỉnh trong hệ thống thay đổi Cũng như ắc quy bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố hóa học bên trong và có chỉ số SOC phi tuyến, hệ thống

điểm của phương pháp này là dùng các vi xử lý tín hiệu tính toán các công thức của thuật toán Khối lượng tính toán là rất lớn dẫn tới chi phí khá cao

2.2.4 Phương pháp lai

Trên thực tế các nhà nghiên cứu còn dùng phương pháp lai kết hợp ưu điểm của các phương pháp trên tạo ra phương pháp ước lượng tối ưu, cải thiện độ chính xác của việc ước lượng SOC Các nghiên cứu gần đây [13,14] cho thấy phương pháp lai đưa ra kết quả ước lượng SOC tốt hơn nhiều so với các phương pháp độc lập Phương pháp này sẽ là hướng phát triển nghiên cứu trong những năm tiếp theo

Tuy nhên, tương tự các phương pháp trước, phương pháp lai vẫn còn tồn tại những nhược điểm của mỗi loại, không thể áp dụng cho hệ thống đang khảo sát

Như vậy, với việc phân tích các phương pháp ước lượng SOC trên ta thấy răng cần có một phương pháp ước lượng SOC mới phù hợp với các đặc điểm hoạt động của hệ thống điện mặt trời độc lập chi phí thấp như tính liên tục cấp điện, hoạt động ổn định, giá thành rẻ Phương pháp này sẽ được trình bày ở chương sau với các kết quả tốt của quá trình thực nghiệm kiểm chứng

Phần tiếp theo sẽ trình bày về vấn đề tiếp theo đề tài nghiên cứu, các bộ điều khiển sạc từ pin mặt trời và các phương pháp tối ưu thiết kế cho bộ điều khiển này

2.3 Bộ điều khiển sạc từ pin mặt trời

Hệ thống điện mặt trời độc lập cần dự trữ năng lượng vào ắc quy Trên thực

tế có hai cách điều khiển sạc năng lượng mặt trời vào ắc quy là sạc trực tiếp và sạc thông qua các bộ biến đổi (BBĐ) DC/DC Các bộ biến đổi DC/DC thông thường (BBĐ tăng áp, BBĐ giảm áp, BBĐ tăng- giảm) điều khiển quá trình sạc bằng khóa công suất Hiện nay, trong các BBĐ có tích hợp các kỹ thuật chuyển mạch mềm cộng hưởng, còn gọi là BBĐ chuyển mạch mềm hay BBĐ cộng hưởng, với nhiều

ưu điểm hơn các BBĐ thông thường

2.3.1 Phân loại bộ điều khiển sạc

2.3.1.1 Bộ điều khiển sạc trực tiếp

Đây là bộ điều khiển sạc đơn giản nhất, chỉ dùng các linh kiện công suất cơ bản điều khiển dòng điện từ pin mặt trời vào sạc cho ắc quy mà không qua bất cứ mạch chuyển đổi điện áp hay dòng điện nào Bộ điều khiển này thường được tính toán để bảo vệ các trường hợp quá áp, quá dòng trong quá trình sạc

Hiệu suất của bộ điều khiển này thường vào khoảng 70% phụ thuộc vào ắc quy và pin mặt trời thiết kế

2.3.1.2 Bộ điều khiển sạc dùng bộ biến đổi điện áp DC/DC

Bộ biến đổi điện áp DC/DC thông thường gồm các bộ cơ bản như:

- BBĐ tăng áp (Boost converter)

- BBĐ giảm áp (Buck converter)

- BBĐ tăng-giảm áp (Buck-boost, Cuk converter, SEPIC)

Hiện nay BBĐ DC/DC được tích hợp trong nhiều ứng dụng điều khiển công suất trên thế giới Trong hệ thống điện mặt trời, thông qua việc điều khiển độ rộng xung của khóa công suất, các bộ biến đổi điện áp DC/DC (còn gọi là bộ biến đổi điều rộng xung) có thể điều khiển điểm làm việc của pin mặt trời và điều khiển được dòng điện/điện áp cho quá trình sạc ắc quy Bằng cách kết hợp việc điều khiển này với thuật toán dò điểm làm việc cực đại (Max Power Point Traking (MPPT)) ta

có thể lấy công suất cực đại của tấm pin mặt trời Do đó, hiệu suất của bộ điều khiển này cao hơn nhiều so với bộ điều khiển sạc trực tiếp

Tuy nhiên, ngoài ưu điểm đó thì BBĐ này vẫn tồn tại một số nhược điểm như tổn hao chuyển mạch cao, gai dòng và áp khi hoạt động cao gây nhiễu điện từ cho các linh kiện điện tử khác Để khắc phục các nhược điểm này, ta tiếp tục nghiên cứu tích hợp những phương thức thiết kế vào bộ biến đổi DC/DC giúp tối ưu mạch điều khiển, tạo nên nhưng ưu điểm nổi trội hơn so với BBĐ thông thường

2.3.2 Bộ biến đổi DC/DC chuyển mạch mềm

Các bộ biến đổi công suất trong các hệ thống điện thường được thiết kế đảm bảo các yêu cầu như hiệu suất chuyển đổi cao, kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, giá thành thấp Với bộ biến đổi DC/DC thông thường, kích thước tản nhiệt, tụ điện

và cuộn cảm là khá lớn, dẫn đến kích thước BBĐ lớn Để cải thiện vấn đề này, các BBĐ được thiết kế hoạt động ở tần số cao hơn Tuy nhiên khi hoạt động với tần số cao, tổn hao trong mạch biến đổi (bao gồm tổn hao dẫn và tổn hao chuyển mạch) tăng lên Đồng thời còn gây nên các xung điện áp, gây ra các nhiễu điện từ (Electromagnetic Interference (EMI)), gây mất ổn định hệ thống

Để giảm tổn thất và nâng cao hiệu suất hệ thống, mật độ công suất, và hiệu quả đóng cắt của linh kiện bán dẫn, các BBĐ chuyển mạch mềm đã được phát triển

và sử dụng [14-21] Ở các phần tiếp theo ta sẽ tìm hiểu và phần tích BBĐ chuyển mạch mềm để hiểu rõ hơn về những lợi ích của BBĐ này

2.3.2.1 BBĐ cộng hưởng

Bộ biến đổi cộng hưởng, cũng như BBĐ DC/DC thông thường, được sử dụng để biến đổi điện áp một chiều nhưng qua một giai đoạn chuyển đổi bổ sung: giai đoạn cộng hưởng (xem hình 2.6) Lúc này BBĐ gồm 3 giai đoạn: giai đoạn tín hiệu DC được chuyển thành tín hiệu AC tần số cao, giai đoạn cộng hưởng và giai đoạn chỉnh lưu AC/DC

Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ biến đổi DC/DC chuyển mạch mềm

họa trong hình 2.7 Do có quá trình đóng và mở trong mỗi chu kỳ chuyển mạch, tổn hao chuyển mạch lúc đó tăng lên cùng với tần số chuyển mạch Khi áp dụng kỹ thuật cộng hưởng vào bộ biến đổi, các linh kiện được điều khiển chuyển mạch đóng

và mở vào lúc dòng điện không hoặc điện áp không, do đó giảm tổn hao chuyển mạch Hình 2.8 cho ta thấy sự thay đổi đó

Hình 2.7 Tổn hao năng lượng trong chuyển mạch khóa công suất

Hình 2.8 So sánh tổn hao năng lượng trong hai loại chuyển mạch

Ưu điểm bộ biến đổi cộng hưởng

Bộ biến đổi cộng hưởng đem lại rất nhiều ưu điểm Chuyển mạch cộng hưởng của linh kiện chuyển mạch công suất giảm tổn hao công suất chuyển mạch, thành phần gai công suất dẫn đến giảm nhiễu EMI, làm tăng hiệu suất, tần số chuyển đổi Như vậy bộ biến đổi này có thể hoạt động ở tần số cao hơn làm giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị và cho đáp ứng chuyển đổi công suất nhanh hơn Vì kích thước và trọng lượng của các thành phần từ (cuộn cảm và biến áp) và

tụ trong bộ chuyển đổi tỷ lệ nghịch với tần số chuyển Điều này phù hợp với các

yêu cầu cao của thị trường về nguồn cung cấp liên tục có kích thước nhỏ hơn và hệ thống điện tử công suất có trọng lượng nhẹ hơn

Hiện nay, các nghiên cứu chuyên sâu về chuyển mạch mềm đang được nâng cao hơn, hiệu quả do đó cũng tăng cùng với sự gia tăng tần số chuyển mạch của các mạch điện tử công suất

2.3.2.2 Phân loại bộ biến đổi chuyển mạch mềm cộng hưởng

Như ta phân tích ở trên, quá trình chuyển mạch mềm, cả dòng điện và điện

áp đều bằng không trong suốt quá trình chuyển mạch và (theo lý thuyết) không có tổn hao chuyển mạch Có hai loại chuyển mạch mềm: chuyển mạch không điện áp (Zero Voltage Switching (ZVS)) và chuyển mạch không dòng điện (Zero Curent Switching (ZCS)) Mặc dù có nhiều kỹ thuật ZVS và ZCS, chúng vẫn tuân theo các nguyên tắc chung liên quan đến từng loại

Có rất nhiều cách để phân loại các bộ biến đổi cộng hưởng Chúng ta có thể phân loại như trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Phân loại bộ biến đổi chuyển mạch mềm cộng hưởng

Tên BBĐ bán cộng hưởng BBĐ cộng hưởng tải Cộng hưởng chuyển mạch

hưởng

Tần số chuyển mạch cao

và trở về điều kiện hoạt động bình thường Phân

loại ZCS Cộng hưởng nối tiếp BBĐ dịch pha

RLC Bộ biến đổi cộng hưởng chuyển mạch chỉ xảy ra cộng hưởng trong quá trình chuyển mạch, sau đó nó sẽ trở về chế độ hoạt động bình thường

BBĐ cộng hưởng được nghiên cứu khá đầy đủ trên thế giới [21,23] Đối với BBĐcộng hưởng tải và cộng hưởng chuyển mạch sử dụng nhiều linh kiện công suất phụ trợ dẫn tới tăng chi phí cho các sản phẩm tạo thành Ngoài ra hai loại BBĐ này được nghiên cứu để sử dụng ở các dải công suất lớn (trên 500W), đo đó không phù hợp với ứng dụng ta đang xét (dưới 250W) BBĐ bán cộng hưởng được thiết kế phù hợp cho các hệ thống công suất nhỏ như hệ thống mặt trời độc lập với các linh kiện phụ trợ công suất nhỏ, giảm giá thành sản phẩm khi sản xuất Trong đề tài ta tiến hành nghiên cứu và đưa ra phương án thiết kế bộ điều khiển sạc pin mặt trời sử dụng các BBB chuyển mạch mềm bán cộng hưởng (Quasi-resonant converter (QRC))

2.3.3 BBĐ bán cộng hưởng và ứng dụng

Nhiều công trình nghiên cứu được công bố trên thế giới [14-20] sử dụng các

bộ biến đổi cộng hưởng chuyển mạch mềm vào các ứng dụng điểu khiển công suất

Bộ biến đổi tăng áp Boost dùng BBĐ QRC [14] được nghiên cứu và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với các kết quả thu được chứng minh hiệu quả của bộ biến đổi cộng hưởng này Bộ biến đổi giảm áp Buck dùng BBĐ QRC được nghiên cứu phân tích hoạt động, mô phỏng [15] và trong ứng dụng bộ sạc ắc quy trong hệ thống điện mặt trời [16,17] với hiệu suất khá cao (lên đến 90% [16]) BBĐ tăng giảm áp SEPIC dùng kỹ thuật chuyển mạch mềm cộng hưởng cũng đã nghiên cứu và thực nghiệm thu được các kết quả rất khả quan, hiệu suất lên đến 94.8% [18], tần số hoạt động cao 20Mhz [19] Tuy nhiên nghiên cứu về ứng dụng BBĐ này vào hệ thống điện mặt trời độc lập vẫn chưa được thực hiện tại Việt Nam Đề tài trình bày phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm các bộ biến đổi QRC và ứng dụng các BBĐ này vào trong bộ điều khiển sạc điện mặt trời như ở các chương tiếp theo

2.4 Kết luận

Mục tiêu đề tài là nâng cao hiệu suất bộ sạc điện mặt trời và tích hợp một thuật toán ước lượng với chi phí thực hiện thấp, qua các phân tích trên ta lựa chọn được các phương án để thực hiện đề tài như dưới đây

- Về phương pháp ước lượng, phương án dùng điện áp hở mạch và phương pháp đếm Ah không phù hợp cho ứng dụng cấp nguồn liện tục như hệ thống điện mặt trời độc lập Phương pháp thích nghi và phương pháp lai cần các vi điều khiển có khả năng tính toán cao để tính toán các thuật toán ước lượng phức tạp Điều này không phù hợp với yêu cầu thiết kế với chi phí rẻ của đề tài Như vậy mỗi phương án đều có những nhược điểm không thể ứng dụng vào hệ thống điện mặt trời độc lập Đề tài trình bày một phương pháp ước lượng mới với thuật toán đề xuất ở chương sau thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu đưa ra của hệ thống đang khảo sát Mô hình

ắc quy như nhận xét trên sẽ chọn mô hình Thevenin mở rộng với các đặc điểm phù hợp với phương pháp ước lượng đề xuất

- Về bộ điều khiển sạc, các phân tích cho thấy việc thực hiện BBĐ DC/DC dùng BBĐ bán cộng hưởng sẽ cải thiện được hiệu suất bộ điều khiển sạc NLMT Với việc nghiên cứu bộ biến đổi này ở các chương sau sẽ cho ta thấy tính khả thi của việc thực hiện với chi phí thực hiện không cao Chương tiếp theo sẽ trình bày phương pháp ước lượng SOC cho ắc quy chì axit với các bước xây dựng thuật toán ước lượng cũng như hiện thực bộ điều khiển sạc dùng phương pháp ước lượng

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG SOC ẮC QUY ĐỀ XUẤT VÀ HIỆN THỰC

Như đã phân tích từ chương trước, các phương pháp ước lượng trạng thái điện lượng của ắc quy đó đều có những đặc điểm không phù hợp với những yêu cầu của hệ mặt trời độc lập công suất nhỏ giá thành rẻ Yêu cầu đặt ra là cần một bộ ước lượng SOC mới trực tiếp, đơn giản, không mất tính liên tục của hệ thống và với chi phí thực hiện thấp Các phần tiếp theo sẽ được trình bày một mô hình bộ ước lượng mới đơn giản với thuật toán ước lượng đề xuất và các kết quả được kiểm nghiệm thực tế

3.1 Bài toán ước lượng

Ước lượng trạng thái điện lượng (SOC) đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng độc lập tự cấp nguồn, những ứng dụng phải sử dụng ăc quy để dự trữ năng lượng SOC có giá trị từ 0% (hết bình) đến 100% (đầy bình), thể hiện phần năng lượng còn lại trong ắc quy Với hệ thống điện mặt trời độc lập, trạng thái của

ắc quy là một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định điều kiện hoạt động của hệ thống Do đó, sự ước lượng chính xác SOC giúp nâng cao hiệu quả quản lý

và sự an toàn của những hệ thống đó

Đề tài đề xuất sử dụng một mô hình ắc quy đơn giản hóa, chỉ yêu cầu đầu vào là điện áp đầu cực và dòng điện ắc quy, đầu ra sẽ cung cấp trạng thái tức thời điện lượng của ắc quy Phương pháp ước lượng này có thể được sử dụng để theo dõi trạng thái năng lượng của hệ thống pin mặt trời và đưa ra cảnh báo sớm để các nhà điều hành của hệ thống thu thập dữ liệu, gồm nhiều trạm đo NLMT được kết nối Sơ đồ khối của bộ ước lượng được hiển thị trong hình 3.1

Trong phần sau chúng ta sẽ phân tích mô hình ắc quy với sự khác nhau của hai quá trình sạc và xả, dẫn đến phát triển thuật toán ước lượng điện lượng ắc quy ở những phần tiếp theo Thuật toán ước lượng này cũng được áp dụng trên một ắc quy mẫu để kiểm chứng từ thực nghiệm

3.2 Phân tích mô hình ắc quy đề xuất

3.2.1 Mạch tương đương

Hình 3.2 thể hiện mô hình đề xuất của ắc quy chì axit để ước lượng SOC

Mô hình này xét đến việc dùng các thống số khắc nhau của quá trình sạc xả ắc quy

Hình 3.2 Mạch tương đương của mô hình đề xuất

Mô hình bao gồm một nguồn áp Vcell, một điện trở nối tiếp R0, và hai cặp RC mắc song song, mỗi cặp mắc nối tiếp với một diode để tạo một chiều dòng điện xác định đi qua các cặp RC này

Dưới trạng thái xác lập và trong một khoảng thời gian ngắn (khoảng vài giây), dòng điện có thể xem như là hằng số Trong trường hợp này sẽ không có dòng qua tụ C1 Từ đây ta thu được công thức:

I R V I R I R V

Vt  cell  0  1  cell  d (3.1)

Ở đây, R d = R 0 + R 1 là tổng điện trở nội của ắc quy khi xả, và V t là điện áp đầu ra tương ứng của ắc quy

3.2.3 Quá trinh sạc ắc quy

Tương tự phân tích trên, trong quá trình sạc, dòng điện đi từ cặp R2C3 thông qua điốt D2, và R0 đến Vcell Mạch điện tương đương quá trình này được thể hiên như hình 3.4

Hình 3.4 Quá trình sạc ắc quy

Dưới trạng thái xác lập và trong một khoảng thời gian ngắn (khoảng vài giây), dòng điện có thể xem như là hằng số Trong trường hợp này sẽ không có dòng qua tụ C2 Từ đây ta thu được công thức:

I R V I R I R V

3.3 Thuật toán ước lượng SOC

3.3.1 Đường đặc tuyến OCV-SOC

Trong thuật toán được đề xuất, SOC được xét đến như là một hàm của điện

áp hở mạch OCV Giả sử sự biến đổi của nhiệt độ môi trường không đáng kể Dữ liệu thu thập để xây dựng nên đường đặc tuyến này được thu thập từ những điều kiện chuẩn như nhiệt độ phòng và quá trình sạc xả với dòng hằng, với ắc quy sử dụng được bán trên thị trường

Ở đây, quan hệ phi tuyến giữa OCV và SOC sẽ được tuyến tính hóa từng đoạn theo dữ liệu thu thập từ một lần thử nghiệm trên ắc quy, tương tự như [6] Tuy nhiên, quá trình ước lượng được đề xuất sẽ không sử dụng mô hình trạng thái không gian bởi vì với mô hình đó sẽ cần dùng một công cụ tính toán với chi phí cao Quá trình xây dựng đường đặc tuyến OCV-SOC được diễn tả như dưới đây

Giả sử rằng dải SOC của ắc quy được chia thành n phần, và trên thực tế dưới các điều kiện nhiệt độ hoạt động cho trước ứng với mỗi phần có điện trở nội của ắc quy là hằng số Bây giờ chúng ta xét đến các đường đặc tuyến sạc xả, ở đây ắc quy

đang hoạt động ở dòng I bat bằng C/10 Mối quan hệ giữa điện áp trên điện cực ắc

quy V bat và SOC được thể hiện như hình dưới

Hình 3.5 Đồ thị sạc và xả của ắc quy

Ở đây ta cũng giả sử rằng điện trở nội ắc quy ở quá trình sạc và xả là bằng

nhau, R tot = R c = R d, ở cùng giá trị SOC Đồ thị sạc xả là tuyến tính trên mỗi phần chia ở trên, tại một giá trị SOC (hoặc OCV), các mối quan hệ sau phải được thỏa mãn:

10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5

Thời gian (giờ)

Dưới việc tuyến tính hóa đặc tuyến OCV-SOC và điện trở nội của ắc quy

trong phần thứ i, ta xác định được các giá trị OCV(i) và R tot (i) Từ công thức (3.3)

và (3.4), ta suy ra được các mối quan hệ sau:

Với mỗi sơ đồ mô hình ắc quy thu được cho mỗi quá trình sạc xả ta sẽ có được thuật toán ước lượng đơn giản để ước tính giá trị SOC ở phần tiếp theo

3.3.2 Thuật toán ước lượng SOC

Dưới các điều kiện hoạt động thường, ta có một điện áp trên đầu cực ắc quy

V bat và dòng sạc/xả ắc quy I bat cho quá trình ước lượng SOC Xét trường hợp ắc quy dưới quá trình sạc, từ (3.2) ta thấy có hai đại lượng chưa biết là OCV và Rc Do đó,

ta dùng phương pháp lặp để tính toán giá trị OCV và SOC như sau:

 Bước 1: Bắt đầu tính toán với một phần ở giữa của dãi các phần SOC Điện trở nội trong quá trình sạc Rc, giá trị cực tiểu và giá trị cực đại OCV

đã được biết trước

 Bước 2: Tính toán điện áp đầu cực cực tiểu V t,min và cực đại V t,max của ắc

quy ứng với dòng sạc I bat dùng công thức (3.2)

 Bước 3: Nếu V bat < V t,min, chuyển đến phần SOC tiếp theo bên phía trái và lặp lại tính toán từ bước 2 với giá trị Rc, cực tiểu và cực đại OCV mới

Nếu V bat > V t,max, chuyển tới phần SOC bên phía phải và lặp lại tính toán

từ bước 2 với giá trị Rc, cực tiểu và cực đại OCV mới

 Bước 4: Ta đang ở đúng phần SOC, tính toán OCV tương ứng với V bat và

I bat dùng công thức (3.2), sau đó nội suy SOC từ công thức (3.7)

 left

left right

left right

OCV OCV

SOC SOC

Ở đây SOC left và OCV left là các SOC và điện áp hở mạch bên trái, SOC right và

OCV right là các SOC và điện áp hở mạch bên phải của phần SOC đang xét như hình 3.6 bên dưới

Hình 3.6 Ước lượng SOC dùng tuyến tính hóa đồ thị

Điều kiện biên sẽ được sử dụng cho các trường hợp hoạt động ở bên ngoài dãi SOC

Để thu thập dữ liệu ta dùng bộ lưu dữ liệu, như hình 3.7 bên dưới, lấy liên tục các thông số hoạt động của ắc quy khi thực nghiệm Bộ lưu dữ liệu này được thiết kế để thực hiện các quá trình sạc/xả dòng hằng thông qua linh kiện điều chỉnh tuyến tính LM317 Điện áp và dòng điện hoạt động của ắc quy được lưu lại trên thẻ nhớ microSD sau quá trình xử lý dữ liệu Dòng sạc/xả có thể điều chỉnh được

Hình 3.7 Bộ lưu dữ liệu

3.4.2 Tính toán thông số bộ ước lượng SOC

Giả sử rằng toàn dải SOC được chia làm 10 phần bằng nhau, các phần này có các đồ thị sạc/xả được tuyến tính hóa tại dòng điện hằng qua ắc quy bằng C/10 được tính toán và thể hiện như hình dưới

Hình 3.8 Tuyến tính hóa đường sạc/xả tại C/10

Bảng 3.1 thể hiện giá trị điện trở nội ắc quy được tính toán từ mười phần SOC đã chia dựa theo dữ liệu thực tế từ quá trình thí nghiệm

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

11 11.5

12 12.5

13 13.5

discharging

Bảng 3.1 Điện trở nội ắc quy theo quá trình thí nghiệm với dòng C/10

Hình 3.9 Đặc tuyến OCV-SOC thực nghiệm

3.4.3 Kết quả

Từ các thông số tính toán trong quá trình thu thập dữ liệu kết hợp với quy trình ước lượng của bộ ước lượng được đề xuất ta tiến hành thực nghiệm kiểm chứng bộ ước lượng

Trước tiên ta tiến hành xây dựng đồ thị đường xả tham khảo bằng cách xả từ

ắc quy định kỳ dòng điện cố định trong 30 phút, và tắt tải trong 30 phút Suất xả điện gấp ba lần C/20, dẫn đến độ giảm 15% SOC mỗi giờ (giảm 7,5% SOC trong 30 phút)

Thí nghiệm sơ bộ cho thấy rằng thuật toán đề xuất có thể đưa ra các giá trị ước lượng tốt, với sai số ở trạng thái ổn định trong khoảng 2%, như hình 10

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 11.4

11.6 11.8 12 12.2 12.4 12.6 12.8 13

Hình 3.10 Thực nghiệm ước lượng SOC ở quá trình xả

Có một vài gai trên đường ước lượng trong khoảng thời gian thoáng qua khi tải được bật trở lại, do thiếu bộ lọc trong quy trình ước lượng được đề xuất, như tương tự như trong phương pháp bộ lọc Kalman mở rộng, hoặc quan sát chế độ trượt Tuy nhiên, đây không phải là một vấn đề quan trọng, bởi vì dòng chảy năng lượng ổn định trong hệ thống điện PV là thấp, với dòng điện qua tải gần như không đổi trong một thời gian rất dài, như tại các trạm đo Hơn nữa, một bộ lọc trung bình

có thể dễ dàng thực hiện trong quá trình tính toán của bộ điều khiển để làm giảm đáng kể các sai số ước lượng trong khoảng thời gian thoáng qua rất ngắn

Ta tiến hành một thí nghiệm khác đã được thực hiện theo các điều kiện tương tự như mô tả trên, nhưng kết hợp thêm bộ lọc cửa sổ trượt trung bình 8 điểm được thực hiện trong vi điều khiển Có thể thấy trong hình 3.11, SOC được ước lượng có giá trị rất gần với đường cong tham chiếu

Hình 3.11 Bộ ước lượng cải tiến trong quá trình xả

55 60 65 70 75 80 85

Thời gian (giờ)

Tham khảo Ước lượng

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

Thời gian (giờ)

Tham khảo Ước lượng