Nghiên cứu này còn thực hiện lắp ráp một bộ chuyển đổi DC/DC 200W thực tế để áp dụng vào tấm pin mặt trời PEPV-48-200 và đã kiểm tra đo đạc. Kết quả cho thấy, bộ chuyển đổi DC/DC này hoạt động ổn định, hiệu suất được cải thiện và có thể áp dụng vào thực tế.
Trang 118 Trịnh Trung Hiếu, Đoàn Anh Tuấn, Lê Thị Tịnh Minh
THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC MỚI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
DESIGN OF A NEW DC/DC CONVERTER FOR SOLAR POWER SYSTEM
Trịnh Trung Hiếu 1 , Đoàn Anh Tuấn 1 , Lê Thị Tịnh Minh 2
1 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tthieu@dut.udn.vn, datuan@dut.udn.vn
2 Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh; le.thitinhminh@hcmut.edu.vn
Tóm tắt - Bài báo này giới thiệu cách thiết kế một bộ chuyển đổi
DC/DC mới phù hợp với sự thay đổi công suất của nhà máy điện mặt
trời Bộ chuyển đổi này được hình thành từ nhiều bộ chuyển đổi có
công suất nhỏ, các bộ chuyển đổi DC/DC công suất nhỏ này được nối
với nhau theo một qui luật nhất định nhằm tạo ra một bộ chuyển đổi có
công suất lớn Dựa vào việc cô lập một số bộ chuyển đổi DC/DC công
suất nhỏ kết hợp với điều khiển góc mở, điện áp định mức đầu vào và
đầu ra của bộ chuyển đổi có thể đáp ứng cho dải điện áp rộng mong
muốn Nghiên cứu này còn thực hiện lắp ráp một bộ chuyển đổi DC/DC
200W thực tế để áp dụng vào tấm pin mặt trời PEPV-48-200 và đã
kiểm tra đo đạc Kết quả cho thấy, bộ chuyển đổi DC/DC này hoạt động
ổn định, hiệu suất được cải thiện và có thể áp dụng vào thực tế
Abstract - This paper introduces the designs of a new DC/DC
converter meeting the variation of output power of a PV system This DC/DC converter consists of many DC/DC converters with small capacity; these small DC/DC converters are connected together among a fore-given rule to obtain a DC/DC converter with high capacity By isolating some of small DC/DC converters and firing angle adjustment, input and output voltage rating of this new DC/DC converter can meet the desired operation range This research also introduces a 200W DC/DC converter for the PEPV-48-200 PV panel whose measurements have been verified The testing results indicate that this DC/DC converter has stable operation, improved efficiency, and hence, it can be applied into practice
Từ khóa - Bộ chuyển đổi DC/DC; cải thiện hiệu suất; điện mặt trời Key words - DC/DC converter; efficiency improvement; photovoltaic
1 Đặt vấn đề
Điện mặt trời đã được khai thác nhiều nơi trên thế giới
và nó giữ vai trò đáng kể trong việc đáp ứng nhu cầu điện
năng đang tăng cao ở nhiều nước Dựa vào báo cáo của
REN21 (Renewable Energy Policy Network for the 21
century) [1], tổng dung lượng điện mặt trời đã lắp đặt năm
2017 là 98GW, tăng 30% so với 78GW vào năm 2016 và
nó đưa tổng công suất lắp đặt điện mặt trời toàn cầu từ
303GW vào 2016 lên đến 402GW vào cuối 2017 Tùy
thuộc vào cường độ bức xạ trung bình, vốn đầu tư, và mục
tiêu mà công suất lắp đặt của các nhà máy điện mặt trời
khác nhau, từ vài Watt đến hàng nghìn mega Watt và cấu
trúc của nhà máy điện mặt trời khác nhau
Cấu thành phần cơ bản của một hệ thống điện mặt trời
bao gồm: các tấm pin mặt trời, bộ dữ trữ năng lượng (ắc
quy), bộ chuyển đổi DC/DC, và DC/AC [2] Cấu trúc của
một hệ thống điện mặt trời bị phụ thuộc vào phụ tải, cấp
điện áp, và nhiều yếu tố khác Thông thường có 2 cấu hình
cơ bản được sử dụng phổ biến là cấu hình một cấp chuyển
đổi và 2 cấp chuyển đổi [3] Với cấu Hình 2 cấp chuyển đổi,
bộ chuyển đổi DC/DC được sử dụng để nâng điện áp đầu ra
của hệ thống pin mặt trời đến điện áp cao hơn phù hợp với
phụ tải một chiều và cấp điện áp xoay chiều của lưới kết
nối Tuy nhiên, việc sử dụng bộ chuyển đổi một chiều có
thể làm tăng tổn thất công suất trong hệ thống [4] và có thể
dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng của toàn hệ
thống nhà máy điện mặt trời Để tiết kiệm điện năng, chúng
ta cần phải tăng hiệu suất chuyển đổi bộ chuyển đổi DC/DC
Thực tế cho thấy, hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC
không phải là hằng số mà phụ thuộc nhiều vào công suất
truyền tải qua nó [5] Thông thường hiệu suất của bộ chuyển
đổi DC/DC đạt cực đại trong phạm vi 50%-60% công suất
thiết kế và giảm nhanh nếu công suất qua nó càng nhỏ [5]
Tuy nhiên, ở các tấm pin mặt trời, công suất đầu ra không
cố định, công suất đạt định mức ở khoảng thời gian gần trưa
và công suất đầu ra nhỏ vào lúc sáng và chiều [6], thời gian
công suất bé hơn 40% có thể đạt vài giờ trong ngày, chưa
kể đến hiện tượng bóng che và ngày ít nắng Như vậy, trong trường hợp này, công suất chạy qua DC/DC converter sẽ khá nhỏ (nhỏ hơn 40%) nên hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC rất thấp và phần lớn công suất bị tiêu hao trong bộ chuyển đổi Vì vậy, việc thiết kế một bộ chuyển đổi DC/DC
có hiệu suất cao là cực kỳ cần thiết
Nhiều tác giả đã đưa ra cấu trúc của bộ chuyển đổi DC/DC với hiệu suất cao [7], [8] Hầu hết các nghiên cứu này đều nhằm giảm tổn thất trong bộ chuyển đổi và từ đó nâng cao hiệu suất của bộ chuyển đổi Hiệu suất của nó vẫn phụ thuộc vào công suất đi qua nó Điều đó có nghĩa rằng, trong khoảng thời gian công suất đầu ra của tấm pin mặt trời (PV: photovoltaic) rất thấp thì hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC vẫn rất thấp Do vậy, việc thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC có cấu trúc sao cho chúng ta có thể duy trì được công suất đi qua
bộ DC/DC gần với công suất làm việc bình thường (hiệu suất cao) dù cho công suất đầu ra của PV thấp là rất cần thiết Bài báo giới thiệu cách thiết kế mộ bộ chuyển đổi DC/DC áp dụng vào hệ thống điện mặt trời nhằm cải thiện hiệu suất của cả hệ thệ thống điện mặt trời Ở đây, bộ chuyển đổi DC/DC được cấu tạo từ nhiều bộ chuyển đổi DC/DC có công suất nhỏ để tạo ra công suất đủ lớn và một
số trong các bộ chuyển đổi DC/DC nhỏ đó có thể được ngừng làm việc trong suốt thời gian công suất đầu ra của
PV nhỏ Bộ chuyển đổi DC/DC này sẽ được chế tạo thực
tế và được kiểm chứng
2 Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC
2.1 Hiệu suất bộ chuyển đổi DC/DC
Bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng trong hệ thống điện mặt trời như Hình 1 Mục tiêu chính của bộ DC/DC là để biến đổi điện áp đầu cực của PV (Vdc_i) đến giá trị Vdc_o phù hợp với tải một chiều hoặc với bộ chuyển đổi DC/AC kết nối lưới điện xoay chiều Trong quá trình làm việc, một phần công suất bị tiêu hao trên bộ chuyển đổi DC/DC [9]
Trang 2ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 3, 2019 19 làm giảm hiệu suất của hệ thống điện mặt trời Hiệu suất
của bộ chuyển đổi DC/DC được tính
𝜂 =𝑃𝑜
𝑃𝑖 =𝑃𝑖 −∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑃𝑖 = 1 −∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑃𝑖 (1)
ở đó, 𝑃𝑖 và 𝑃𝑜 là công suất đầu vào và ra của bộ chuyển đổi
DC/DC; ∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 là tổn hao công suất trong bộ chuyển đổi
DC/DC Hiệu suất của bộ chuyển đổi này phụ thuộc vào công
suất đi qua nó 𝑃𝑖 Thông thường, hiệu suất của bộ chuyển đổi
DC/DC đạt giá trị lớn nhất khi công suất truyền qua nó có giá
trị bằng công suất thiết kế Khi công suất truyền qua bộ chuyển
đổi nhỏ hơn nhiều so với công suất định mức của nó thì hiệu
suất của bộ chuyển đổi sẽ suy giảm đáng kể - Hình 1b Trong
thực tế, công suất đầu ra của tấm pin mặt trời thay đổi tuỳ
thuộc vào điều kiện thời tiết, trong khi công suất của bộ
chuyển đổi được thiết kế với công suất lớn nhất của tấm pin
Vì vậy, hiệu suất của bộ chuyển đổi ở một số thời điểm, khi
công suất nhỏ truyền qua nó, sẽ có giá trị không tốt
(a)
(b)
Hình 1 (a) Hệ thống điện mặt trời sử dụng bộ chuyển đổi
DC/DC và (b) đặc tính hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC
Hình 2 Cấu trúc bộ chuyển đổi DC/DC được thiết kế
Để cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC, ta cần
phải thiết kế bộ chuyển đổi mới có cấu trúc như Hình 2 Bộ
chuyển đổi này được cấu tạo từ nhiều bộ chuyển đổi
DC/DC có công suất nhỏ (SCM: Small DC/DC Converter
Module) để đạt được công suất lớn Các SCM này được nối nối song song ở đầu vào và nối nối tiếp ở đầu ra Tại mỗi phía của SCM, có 2 van điện tử, ví dụ tại SCM thứ 𝑛 có
2 van (Sin, Son) đặt như Hình 2 Với cấu trúc này, khi công suất đầu ra PV nhỏ, nếu để tất cả các SCM làm việc thì công suất đi qua mỗi SCM bé và hiệu suất của SCM giảm Trong trường hợp này, bằng cách mở Sin và đóng Son, ta có thể cô lập SCM thứ 𝑛 Tương tự như vậy, ta có thể cô lập nhiều SCM để công suất đi qua các SCM còn lại đủ lớn nhằm đảm bảo hiệu suất của các SCM đó cao Kết quả là, hiệu suất của cả bộ chuyển đổi DC/DC sẽ duy trì được hiệu suất cao Tuy nhiên, số lượng SCM cần cô lập còn phụ thuộc vào dải điện áp làm việc của bộ chuyển đổi DC/AC
2.2 Lựa chọn cấu trúc bộ chuyển đổi DC/DC
Có rất nhiều loại mạch chuyển đổi DC/DC khác nhau như Buck, Boost, Dual active Bridge… Tuy nhiên, qua phân tích ưu nhược điểm của từng mạch và khả năng tích hợp chúng vào tấm pin, cấu trúc mạch DC/DC như Hình 3 được nhóm nghiên cứu lựa chọn Cấu trúc này sử dụng 4 Mosfet
ở phía nghịch lưu, 4 diode để chỉnh lưu và 1 máy biến áp làm nhiệm vụ cách ly phía sơ cấp và thứu cấp [10]-[12] Với cấu trúc này mức chịu đựng điện áp của các mosfet và diode là cùng giá trị do đó ta có thể sử dụng cùng công nghệ chế tạo,
dễ dàng tích hợp bộ chuyển đổi vào tấm pin Máy biến áp làm nhiệm vụ cách ly đảm bảo an toàn giữa tấm pin và tải, phù hợp đối với những tải DC quan trọng
Hình 3 Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi SCM
2.3 Thiết kế bộ điều khiển
Trong quá trình làm việc, do cường độ bức xạ thay đổi,
để đảm bảo pin mặt trời phát được công suất cực đại, điện
áp đầu ra của PV phải thay đổi theothuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) Nếu điện áp đầu ra của SCM 𝑉𝑜 được giữ cố định nhờ vào bộ chuyển đổi DC/AC,
ta cần phải thay đổi độ rộng xung đưa vào chân G của Mosfet trong SCM để điện áp đặt lên PV thay đổi theo yêu cầu của thuật toán MPPT Sơ đồ bộ điều khiển như Hình 4
Ở đây điện áp đưa vào bộ phát xung được tính
𝐺(𝑠) = 𝑘𝑝+𝑘𝑖
với, 𝑉𝑟𝑒𝑓, 𝑉𝑑𝑐−𝑖 lần lượt là điện áp tham chiếu và điện áp thực tế đầu vào của SCM; k, kp, ki và kd là các hằng số của
bộ điều khiển; s là toán tử laplace Điện áp Vref được xác định từ bộ MPPT Đầu ra của bộ phát xung là các xung có
độ rộng D và được cung cấp đến các Mosfet Chú ý, các xung đưa đến cặp Mosfet (Q1,Q3) ngược so với xung đưa đến cặp Mosfet (Q2, Q4) Ở bài báo này tác giả không đi nghiên cứu về thuật toán MPPT
Trang 320 Trịnh Trung Hiếu, Đoàn Anh Tuấn, Lê Thị Tịnh Minh
(a)
(b)
Hình 4 (a) tổng quan về bộ điều khiển và (b) cấu trúc bộ điều khiển
3 Lắp mạch thực tế
Bảng 1 Các thông số của tấm pin mặt trời PEPV-48-200
Thông số Giá trị
Để thiết kế và thử nghiệm bộ chuyển đổi DC/DC
như Hình 2, ở đây tác giả sử dụng tấm pin mặt trời loại
PEPV-48-200 có các thông số như Bảng 1 và đặc tính công
suất P-V như Hình 5
Ở điều kiện tự nhiên tại khu I - Trường Đại học Bách
khoa - Đại học Đà Nẵng, ta có được công suất phát của tấm
pin PEPV-48-200W vào ngày 17/02/2019 như Bảng 2
Hình 5 Đặc tính P-V của tấm pin PEPV_48 200W tại
điều kiện chuẩn (1000W/m², 25 °C)
Bảng 2 Công suất phát của tấm pin PEPV-48-200W vào
ngày 17/02/2019
Thời gian Nhiệt độ
(°C)
Cường độ bức xạ (Wh/m²)
Công suất (W)
Từ Bảng 2 ta thấy, công suất đầu ra của tấm pin mặt trời trước 9:00am và sau 15:00pm, công suất chỉ đạt bé hơn 50% công suất định mức Nếu chúng ta sử dụng bộ chuyển đổi DC/DC có công suất 200W thì trong các khoảng thời gian
đó, hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC rất bé Vì vậy ở đây, tác giả đã thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC bằng cách lắp ghép
10 bộ SCM, mỗi SCM có công suất 20W như Hình 2 Một bộ SCM có công suất nhỏ 20W được lắp ráp từ các Mosfet và Diode, các thông số của các Mosfet và Diodes được lựa chọn như Bảng 3
Bảng 3 Thông số của các linh kiện điện tử trong một SCM
Diode (loại1N5822) VFM = 0,39V
Máy biến áp
Số vòng dây: n1=n2=24 vòng Điện trở 2 cuộn dây:
R1 = R2 =0,021
Mosfet(loạiIRF3205) RDS(on)=8 m; Ciss=3247 pF
Hình 6 Sơ đồ khối thực tế của một bộ SCM
Thực hiện lắp mạch thực tế cho mỗi SCM theo sơ đồ khối Hình 6 Ở đây chức năng của các khối trong mạch điều khiển như sau:
a Khối Micro Controller: Sử dụng vi điều khiển
Aruino Nano
b Khối DAC Converter: Đây là mô đun chuyển đổi
tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Ở đây tác giả sử dụng
IC MCP4921 IC này sẽ giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface)
Vi điều khiển sẽ đưa tín hiệu đến MCP4921 để đặt điện áp điều khiển cho khối Pulse Width Modulator
c Khối Pulse Width Modulator: Đây là khối điều chế
độ rộng xung, có chức năng thay đổi độ rộng xung điều khiển, độ rộng xung điều khiển thay đổi từ (0-49) % tương ứng với điện áp điều khiển 0-3,6 Volts Ngõ ra của khối điều chế độ rộng xung gồm 2 ngõ ra tạo xung A và B lệch pha nhau góc 900, đồng thời có thời gian chết để tránh
trường hợp trùng dẫn khi thực hiện điều khiển cầu H
100
150
200
50
Điện áp (V)
Trang 4ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 3, 2019 21
d Khối High and low side Driver: Khối thực hiện chức
năng điều khiển đóng cắt 4 Mosfet của cầu nghịch lưu
(a)
(b)
(c)
Hình 7 Bộ chuyển đổi DC/DC thực tế: (a) SCM,
(b) mặt trước, và (c) mặt sau
Mạch thực tế của một SCM được chụp lại như Hình 7a
Hiệu suất của một bộ SCM như Hình 8
Bộ chuyển đổi DC/DC có công suất 200W được ghép
nối từ 10 bộ SCM như Hình 7b và 7c Ở đây, 10 bộ SCM
được chia thành 2 khối, mỗi khối có 5 bộ SCM
Hình 8 Hiệu suất của 1 bộ SCM
(a)
(b)
(c)
(d)
Hình 9 (a) Công suất đầu ra tấm pin mặt trời, (b) số bộ SCM bị
cô lập, (c) phần trăm công suất đi qua bộ chuyển đổi, và
(d) hiệu suất của bộ chuyển đổi
Với bộ chuyển đổi DC/DC đã được thiết kế, hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng với pin mặt trời PEPV-48-200W như Hình 9 Từ Hình 9 cho thấy, trong giai đoạn bức xạ mặt trời thấp, trước 9:00am và sau 14:00pm, một số bộ SCM phải bị cô lập và nhờ vào đó phần trăm công suất đi qua các bộ SCM còn lại tăng lên Kết quả
là hiệu suất của SCM đã được cải thiện hơn hẳn so với sử dụng 1 bộ chuyển đổi DC/DC cố định Ví dụ, trong giai đoạn từ 7:00am đến 8:am, bằng cách cô lập bớt 3 bộ SCM, hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC đã cải thiện từ 58,12% lên đến 82,2% Ở giai đoạn công suất đầu ra của PV lớn, từ 9:00am đến 15:00pm, bộ chuyển đổi DC/DC thiết kế được vận hành với 10 bộ SCM; nên hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC thiết kế (gồm 10 bộ SCM 20W) vẫn duy trì giống như một bộ DC/DC 200W
Điện áp trước máy biến áp và đầu ra của SCM như Hình
10 Kết quả này cho thấy bộ chuyển đổi làm việc ổn định
100
80
60
40
20
0
Dòng điện (A)
Thời điểm (h)
Thời điểm (h)
Thời điểm (h)
Thời điểm (h)
Trang 522 Trịnh Trung Hiếu, Đoàn Anh Tuấn, Lê Thị Tịnh Minh
(a)
(b)
Hình 10 Điện áp đo lường từ bộ chuyển đổi DC/DC thiết kế:
(a) điện áp phía trước máy biến áp và (b) đầu ra của SCM
4 Kết luận
Bài báo đã thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC gồm nhiều
bộ chuyển đổi nhỏ sử dụng cho hệ thống điện mặt trời nhằm
nâng cao hiệu suất của nhà máy điện mặt trời Các bộ
chuyển đổi nhỏ này được nối song song ở đầu vào và nối
nối tiếp ở đầu ra nhằm đạt được điện áp đầu ra mong muốn
Bộ chuyển đổi DC/DC này đã được lắp mạch thực tế và
kiểm tra Kết quả cho thấy bộ chuyển đổi DC/DC làm việc
tốt và hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC được cải thiện
trong giai đoạn cường độ bức xạ mặt trời thấp
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát
triển Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng trong đề tài
có mã số B2016-ĐN02-08 cấp ĐHĐN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2018/06/17-8652_GSR2018_FullReport_web_-1.pdf
[2] M Arunkumar, Mr K Palanivelrajan, “PV FED DC-DC converter
with two input boost stages”, International Journal of Engineering
and Applied Sciences (IJEAS), vol.4, Iss.4, pp.24-38, April 2017
[3] S Jain, V Agarwal, “A single-stage grid connected inverter topology for Solar PV systems with maximum power point
tracking”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.22, no.5,
pp.1928 -1940, 2007
[4] T F Wu, C H Chang, L C Lin, and C L Kuo, “Power loss comparison of single- and two-stage grid-connected photovoltaic
systems”, IEEE Trans Eenergy Conver., vol.26, no.2, pp.707-715,
JUNE 2011
[5] P Riccardo, Z Zhe, A Michael A E., “Analysis of DC/DC converter efficiency for energy storage system based on bidirectional fuel cells”,
4th IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT
Europe), October 6-9, Copenhagen, 2013
[6] B Parsons, “Variability of power from largescale solar photovoltaic scenarios in the State of Gujarat”, Technical report, https://www.nrel.gov/docs/fy14osti/60991.pdf (access on June 2018) [7] M S Agamy, M H Todorovic, A Elasser, R L Steigerwald, J A Sabate, S Chi, A J McCann, L Zhang, and F Mueller, “A high efficiency dc-dc converter topology suitable for distributed large
commercial and utility scale PV systems.” 15th International Power
Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2012
ECCE Europe, Novi Sad, Serbia [8] D Huang, D Gilham, W Feng, P Kong, Dianbo, F C Lee”,High
power density high efficiency DC/DC converter”, IEEE Energy
Conversion Congress and Exposition International Conference
[9] G Sizikov, A Kolodny,E G Fridman, M Zelikson, “Efficiency
optimization of integrated DC-DC buck converters”, 17th IEEE
International Conference on Electronics, Circuits and Systems, pp
1215-1218, 2010
[10] N George, E Sebastian, R George, “Practical evaluation of a full-bridge
phase-shift-modulated ZVS DC-DC converter”, International Journal of
Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, vol 3, Iss 5, pp 717-723, December 2014
[11] K P Kathirvelu and R Balasubramanian, “Design and
implementation of PS-ZVS full bridge converter Journal of Applied
Sciences, vol 14, pp 1588-1593, 2014
[12] O A Ahmed,J A M Bleijs, “Modelling and experimental verification of the effect of parasitic elements on the performance of
an active-clamped current-fed DC–DC converter”, Simulation
Modelling Practice and Theory, vol 59, pp 71-88, December 2015.
(BBT nhận bài: 01/3/2019, hoàn tất thủ tục phản biện: 22/3/2019)