Nghiên cứu thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng pin mặt trời ứng dụng điều khiển thông minh trên nền tảng DSP TMS320F28335

Trong bộ DC/DC còn áp dụng các giải thuật điều khiển dòng điện, điện áp dựa vào bộ điều khiển 2 cực – 2zero 2P2Z – two poles, two zeros để thiết lập điểm làm việc cho hệ thống đúng tại đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HỒ THANH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI

NĂNG LƯỢNG PIN MẶT TRỜI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG DSP TMS320F28335

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Lê Minh Phương

Ký tên:

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Ký tên Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Ký tên Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày tháng năm 201…

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

I Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG PIN MẶT TRỜI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG DSP TMS320F28335

II Nhiệm vụ đề tài:

+ Xây dựng các giải thuật MPPT dò tìm công suất cực đại của bộ pin năng lượng mặt trời: giải thuật PO, IncCond và Logic Mờ

+ Thiết kế bộ biến đổi năng lượng mặt trời, sử dụng MPPT để làm việc tại điểm công suất cực đại

+ Bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện áp xoay chiều, 1 pha, có khả năng hoà lưới

III Ngày giao nhiệm vụ: 04/07/2011

IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/11/2012

V Họ và tên cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Phương

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gởi đến thầy PGS TS Lê Minh Phương lời biết ơn sâu sắc vì

đã dành thời gian quý báu để hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cũng như cho tôi những lời khuyên bổ ích để hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Phan Quốc Dũng cùng tất cả các Thầy Cô Bộ Môn Cung Cấp Điện, Phòng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện

Tử Công Suất đã giúp đỡ và đồng hành cùng tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Ngoài ra, trong suốt thời gian học tập tại trường đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp HCM, tôi đã được các Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt

là các Thầy Cô bộ môn Điều khiển tự động giảng dạy tận tình, cho tôi nhiều kiến thức mới bổ ích, bên cạnh đó tôi cũng được các bạn bè cùng khóa, cùng lớp đóng góp nhiều ý kiến cũng như các tài liệu có giá trị Xin gởi đến các Thầy Cô và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất

Cuối cùng, tôi xin cám ơn Cha Mẹ và các anh chị em trong gia đình

đã động viên và tạo điều kiện giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 12 năm 2012

Hồ Thanh Phương

2

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này nghiên cứu thiết kế và điều khiển bộ biến đổi năng lượng pin mặt trời thành năng lượng điện xoay chiều, có khả năng hoà lưới Khối lượng luận văn thực hiện gồm hai nhiệm vụ chính: thiết kế, điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC và thiết kế, điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều DC/AC

Bộ DC/DC ứng dụng giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời (MPPT – Maximum Power Point Tracking), để xác định điểm làm việc tối ưu và thiết lập hệ thống làm việc tại điểm này Bộ DC/DC còn làm nhiệm

vụ nâng giá trị điện áp thấp từ phía bộ pin thành điện áp DC Bus có giá trị đủ lớn để cung cấp cho tầng nghịch lưu Trong bộ DC/DC còn áp dụng các giải thuật điều khiển dòng điện, điện áp dựa vào bộ điều khiển 2 cực – 2zero (2P2Z – two poles, two zeros) để thiết lập điểm làm việc cho hệ thống đúng tại điểm công suất cực đại (MPP – Maximum Power Point) của pin PV (photovoltaic – pin năng lượng mặt trời)

Bộ DC/AC thực hiện nhiệm vụ biến đổi điện áp DC Bus thành điện áp xoay chiều một pha Tầng DC/AC bao gồm một bộ điều khiển vòng khoá pha (PLL – Phase Lock Loop), để xác định tần số, góc pha của điện áp lưới, nhờ đó bộ điều khiển nghịch lưu có thể điều khiển được dòng điện ngõ ra cùng pha, cùng cùng tần

số với điện áp lưới, điện áp nghịch lưu có biên độ bằng biên độ điện áp lưới để thực hiện hoà lưới Bộ DC/AC còn có nhiệm vụ điều khiển điện áp DC Bus giữ ở giá trị

cố định Ngoài bộ điều khiển PLL, bộ DC/AC còn sử dụng các bộ điều khiển dòng điện, điện áp

Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực hiện các mô hình mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết của đề tài Mô hình thực nghiệm được xây dựng sử dụng với card điều khiển DSP C2000 (TMS320F28335/TMS320F28035)

This thesis concerns the development and controlling of a grid-tie solar inverter Two major subjects of this thesis are: building, controlling the DC/DC converter and building, controlling the inverter DC/AC

The DC/DC converter was implemented with the MPPT algorithms (Maximum Power Point Tracking), in oder to obtain the maximum power from solar panels, and set the working point of whole system at this maximum power point (MPP) The DC/DC also has responsibility to boost the low voltage level at the output of photovoltaic panel array (PV) up to higher voltage so that can feed the inverter stage Besides MPPT algorithm, the DC/DC controller includes a voltage control loop and a current control loop which based on the 2P2Z controller (two poles-two zeros) The using of this two-loop controller help to set the working point

of system at the MPP was found by MPP Tracker

The DC/AC stage has to meet the the requirements: convert the DC Bus voltage to AC 1-phase voltage The DC/AC controller includes a PLL(Phase Lock Loop) controller, which obtains the frequency and phase of grid voltage Based on PLL controller, the inverter can control its output current synchronized with the grid (with the same frequency, and in phase), and control its output voltage in the same magnitude with the grid, with these conditions, the solar inverter can tie to the utility grid

The DC/AC also take response to control the DC bus voltage, keep DC Bus voltage at a specified value Besides PLL controller, DC/AC stage was implemented with the two-loop controller, with an inside current loop and an external voltage loop based on 2P2Z algorithm

This thesis uses Matlab/Simulink to build models and make simulation to verify the theoretical study The experimental system was built with the DSP

C2000 control card (TMS320F28335/TMS320F28035)

4

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tôi tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đều do chính bản thân tôi tự làm ra, hoàn toàn không phải sao chép của từ bất kỳ một tài liệu hoặc công trình nghiên cứu nào khác

Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước kỷ luật của nhà trường cũng như pháp luật Nhà nước

Hồ Thanh Phương

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

LỜI CAM KẾT 4

MỤC LỤC 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 15

1.1 Đặt vấn đề 15

1.2 Các vấn đề cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời: 16

1.3 Các hệ thống năng lượng mặt trời đang được triển khai: 17

1.4 Hướng đi mới cho công nghệ năng lượng mặt trời – Micro-Inverter 20

1.4.1 Lịch sử hình thành – thị trường đầy tiềm năng: 20

1.4.2 Micro-inverter sẽ chiếm ưu thế trong xu hướng phát triển hệ thống năng lượng mặt trời 22

1.5 Phạm vi đề tài 22

CHƯƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ CỦA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 24

2.1 Hoạt động của Pin năng lượng mặt trời – PV cell 24

2.1.1 Giới thiệu pin năng lượng mặt trời 24

2.1.2 Mô hình toán pin năng lượng mặt trời: 25

2.2 Sơ đồ hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời hoà lưới theo phương án micro-inverter 29

2.3 Bộ biến đổi công suất DC/DC 30

6

2.3.1 Vai trò của bộ biến đổi công suất DC/DC 30

2.3.2 Lựa chọn cấu hình bộ biến đổi điện áp DC/DC: 32

2.3.3 Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC cấu hình Push-pull 35

2.3.4 Thiết kế bộ biến đổi điện áp DC/DC Push-pull đáp ứng yêu cầu đề tài: 36 2.4 Bộ nghịch lưu 40

2.4.1 Vai trò của bộ nghịch lưu 40

2.4.2 Cấu hình bộ nghịch lưu một pha 41

2.4.3 Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu 42

CHƯƠNG 3 CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 44

3.1 Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 44

3.1.1 Giải thuật PO: Perturbation và Observe 44

3.1.2 Giải thuật Incremental Conductance (IncCond) 45

3.1.3 Mạng neuron nhân tạo ANN 47

3.1.4 Giải thuật kết hợp Mạng neuron nhân tạo ANN và IncCond 47

3.1.5 Giải thuật điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic): 49

3.1.6 So sánh và lựa chọn: 57

3.2 Điều khiển tầng DC/DC 59

3.2.1 Tổng quát về điều khiển tầng DC/DC 59

3.2.2 Bộ điều khiển 2 cực – 2 zero: 2P2Z 60

3.2.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển DC/DC 62

3.3 Điều khiển tầng DC/AC 63

3.3.1 Tổng quát về bộ điều khiển tầng DC/AC 63

3.3.2 Bộ điều khiển vòng khoá pha PLL 64

3.3.3 Bộ điều khiển vòng dòng điện và điện áp 68

3.3.4 Sơ đồ điều khiển tầng DC/AC 68

3.4 Xây dựng thuật toán điều khiển trên bộ xử lý DSP 69

3.4.1 Dòng DSP C2000 69

3.4.2 Thư viện DPLib 70

3.4.3 Xây dựng các khối điều khiển dùng DPLib 71

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 73

4.1 Mô hình hoá hệ thống 73

4.1.1 Mô hình pin năng lượng mặt trời: 73

4.1.2 Mô hình bộ DC/DC 76

4.1.3 Mô hình bộ nghịch lưu DC/AC 78

4.2 Thiết kế các bộ điều khiển 80

4.2.1 Giải thuật PO 80

4.2.2 Giải thuật IncCond 81

4.2.3 Giải thuật Fuzzy Logic 82

4.3 Kết quả mô phỏng 84

4.3.1 Mô phỏng giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại MPP với các giải thuật PO, IncCond và Fuzzy 84

4.3.2 Mô phỏng bộ nghịch lưu hoà lưới 93

4.3.3 Mô phỏng ghép song song các bộ nghịch lưu hoà lưới 93

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM 95

5.1 Thiết kế mạch công suất 95

5.1.1 Bộ biến đổi điện áp một chiều - DC/DC converter 95

5.1.2 Bộ nghịch lưu - DC/AC converter 99

5.1.3 Các mạch nguồn phụ trợ 101

8

5.2.1 Cảm biến dòng, áp 102

5.2.2 Mạch lái các linh kiện công suất 105

5.2.3 Mạch xử lý trung tâm sử dụng KIT DSP F28035 107

5.2.4 Các mạch truyền thông 110

5.2.5 Mạch hoàn chỉnh 113

5.3 Giao diện quan sát và điều khiển trên máy tính - GUI 113

5.3.1 Giao diện quan sát và điều khiển dành cho tầng DC/DC 113

5.3.2 Giao diện quan sát và điều khiển dành cho tầng DC/AC 114

5.4 Kết quả thực nghiệm 116

5.4.1 Kết quả tầng DC/DC 116

5.4.2 Kết quả thử nghiệm toàn bộ hệ thống 119

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 124

6.1 Các kết quả đã đạt được 124

6.2 Hướng phát triển của đề tài 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 131

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 131

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 131

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tải DC công suất thấp, kèm với thiết bị lưu trữ (pin, accu) 17 Hình 1.2 Bộ nghịch lưu điện mặt trời không nối lưới, không MPPT 17 Hình 1.3 Bộ nghịch lưu trung tâm _ 18 Hình 1.4 Giải pháp DC micro-converter 19 Hình 1.5 Giải pháp micro-inverter 20 Hình 1.6 Bộ micro-inverter của hãng Enphase _ 21 Hình 2.1 Phân vùng năng lượng của electron trong bán dẫn P-N 24 Hình 2.2 Mô hình một cell pin PV _ 25 Hình 2.3 Đặc tuyến I-V và P-V của pin mặt trời 26 Hình 2.4 Đặc tuyến I-V và P-V tại nhiệt độ 25ºC và 3 giá trị bức xạ khác nhau _ 26 Hình 2.5 Đặc tuyến I-V và P-V của pin khi công suất bức xạ cố định và nhiệt độ thay đổi 27 Hình 2.6 Đặc tuyến khi mắc các cell pin nối tiếp (bên trái) và song song (bên phải) _ 28 Hình 2.7 Diode bypass để bảo vệ các cell pin _ 28 Hình 2.8 Tấm pin thực tế gồm nhiều cell pin ghép song song hoặc nối tiếp với nhau _ 28 Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống _ 29 Hình 2.10 Điều chỉnh đặc tuyến tải theo duty cycle (x) của các kênh PWM 31 Hình 2.11 Bộ DC/DC converter kiểu Push-Pull 32 Hình 2.12 Bộ DC/DC converter kiểu Half-Bridge 32 Hình 2.13 Bộ DC/DC converter kiểu Full-Bridge 33 Hình 2.14 Bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC dạng Push-pull 35 Hình 2.15 Dạng sóng dòng áp của bộ DC/DC Push-pull 36 Hình 2.16 Sơ đồ khối tổng quát bộ nghịch lưu _ 41 Hình 2.17 Sơ đồ bộ nghịch lưu _ 42 Hình 2.18 Nguyên lý điều chế SPWM đơn cực _ 43 Hình 3.1 Giải thuật PO _ 44 Hình 3.2 Dò tìm MPP với giải thuật IncCond _ 45 Hình 3.3 Giải thuật IncCond _ 46 Hình 3.4 Mạng ANN cơ bản _ 47 Hình 3.5 Mô tả giải thuật ANN-IncCond 48 Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật IncCond-ANN\ 49

10

Hình 3.7 Hàm thành viên trong bộ điều khiển mờ _ 50 Hình 3.8 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào E 53 Hình 3.9 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào dE _ 53 Hình 3.10 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào ∆Vref 53 Hình 3.11 Đặc tuyến P-V pin mặt trời 54 Hình 3.12 Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển tầng DC/DC _ 59 Hình 3.13 Bộ điều khiển 2P2Z 61 Hình 3.14 Sơ đồ khối bộ điều khiển tầng DC/DC với giải thuật MPPT 62 Hình 3.15 Sơ đồ bộ điều khiển tầng DC/AC _ 64 Hình 3.16 Sơ đồ khối bộ PLL cơ bản _ 65 Hình 3.17 Khối PLL 1 pha với bộ lọc Notch _ 67 Hình 3.18 Sơ đồ điều khiển tầng DC/AC 68 Hình 3.19 Một mô hình điều khiển đơn giản dựa trên thư viện DPLib _ 71 Hình 3.20 Khối điều khiển bộ DC/AC xây dựng dựa trên DPLib _ 72 Hình 3.21 Khối điều khiển bộ DC/DC xây dựng trên DPLib 72 Hình 4.1 Mô hình pin PV 73 Hình 4.2 Mô phỏng pin PV 73

Hình 4.4 Mô hình 1 cell pin 74 Hình 4.5 Đặc tuyến I-V (bên trái) và P-V (bên phải) của một cell pin _ 75 Hình 4.6 Mô hình mô phỏng tấm pin PV 75 Hình 4.7 Đặc tuyến I-V (bên trái) và P-V (bên phải) của panel pin khi bức xạ thay đổi _ 76 Hình 4.8 Ghép các panel pin PV 76 Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch DC/DC dạng boost _ 77 Hình 4.10 Đặc tuyến tải thay đổi phụ thuộc tỷ số x 77 Hình 4.11 Mô hình công suất bộ DC/DC dạng boost 78 Hình 4.12 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu 1 pha hoà lưới _ 78 Hình 4.13 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu hoà lưới _ 78 Hình 4.14 Khối điều khiển dòng 79 Hình 4.15 Mô hình mô phỏng bộ SinPWM 80 Hình 4.16 Mô hình khối điều khiển Fuzzy Logic 82 Hình 4.17 Mô hình mô phỏng giải thuật MPPT 84

Hình 4.18 Đồ thị bức xạ cho mô phỏng 1 _ 85 Hình 4.19 Giải thuật PO dò công suất cực đại 86 Hình 4.20 Giải thuật PO Vref và Vpv 86 Hình 4.21 Giải thuật IncCond - dò MPP 86 Hình 4.22 Giải thuật IncCond - Vpv và Vref _ 86 Hình 4.23 Giải thuật Fuzzy - dò MPP 87 Hình 4.24 Giải thuật Fuzzy – Vref và Vpv _ 87 Hình 4.25 Đồ thị bức xạ 2 _ 88 Hình 4.26 PO - dò MPPT - mô phỏng 2 88 Hình 4.27 PO - đáp ứng Vref và Vpv – mô phỏng 2 _ 88 Hình 4.28 IncCond - dò MPP - mô phỏng 2 _ 89 Hình 4.29 IncCond - Vref, Vpv - mô phỏng 2 89 Hình 4.30 Fuzzy - dò MPP - mô phỏng 2 _ 89 Hình 4.31 Fuzzy - đáp ứng Vref, Vpv - mô phỏng 2 _ 89 Hình 4.32 Đồ thị nhiệt độ - mô phỏng 3 90 Hình 4.33 PO – dò MPP – mô phỏng 3 _ 91 Hình 4.34 PO - đáp ứng Vref, Vpv – Mô phỏng 3 91 Hình 4.35 IncCond – dò MPP - Mô phỏng 3 _ 91 Hình 4.36 IncCond – đáp ứng Vref, Vpv - mô phỏng 3 _ 91 Hình 4.37 Fuzzy – dò MPP – mô phỏng 3 _ 92 Hình 4.38 Fuzzy – đáp ứng Vref, Vpv – mô phỏng 3 _ 92 Hình 4.39 Kết quả đáp ứng của bộ PLL 93

Hình 4.41 Kết quả hoà lưới của 2 bộ nghịch lưu ghép song song _ 94 Hình 5.1 Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp DC/DC dạng push-pull được thiết kế trong đề tài 95 Hình 5.2 Hai MosFET mắc song song và mạch snubber bảo vệ _ 96 Hình 5.3 Mạch DC/DC thực tế - Phía sơ cấp 98 Hình 5.4 Mạch DC/DC thực tế - Phía thứ cấp _ 98 Hình 5.5 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu 99 Hình 5.6 Mạch lọc LC ngõ ra bộ nghịch lưu _ 100 Hình 5.7 Khối mạch bảo vệ hoà lưới 101

12

Hình 5.8 Sơ đồ khối mạch cấp nguồn phụ trợ _ 101 Hình 5.9 Sơ đồ mạch cảm biến áp LEM LV25-P _ 103 Hình 5.10 Mạch thực nghiệm cảm biến áp LEM LV25-P 104 Hình 5.11 Sơ đồ mạch cảm biến dòng LEM LA25-NP 105 Hình 5.12 Mạch thực nghiệm cảm biến dòng LEM LA25-NP _ 105 Hình 5.13 Mạch kích FET low-side hai kênh _ 106 Hình 5.14 Mạch kích IGBT tầng DC/AC với mạch bootstrap và nguồn cách ly _ 107 Hình 5.15 KIT DSP F28035 Control Card của Texas Instruments _ 107 Hình 5.16 Khối DSP F28035/F28335 trên mạch DC/DC _ 108 Hình 5.17 Khối DSP F28035/F28335 trên mạch DC/AC 109 Hình 5.18 Mạch đệm tín hiệu PWM, zero-crossing, đặt ngưỡng hạn dòng, tạo điện áp tham khảo _ 110 Hình 5.19 Mạch cách ly số dùng chip ISO7240M và ISO7241M 111 Hình 5.20 Cổng JTAG và boot _ 111 Hình 5.21 Sơ đồ nguyên lý và mạch thực tế khối chuyển đổi USB-UART _ 112 Hình 5.22 Các tín hiệu truyền thông giữa hai tầng DC/DC và DC/AC và cáp truyền có sử dụng vòng xuyến ferrite 112 Hình 5.23 Hình ảnh mạch thực nghiệm của mô hình sử dụng trong đề tài _ 113 Hình 5.24 GUI quan sát và điều khiển tầng DC/DC 114 Hình 5.25 Khôi phục hoạt động hệ thống sau khi sửa lỗi 114 Hình 5.26 GUI của tầng DC/AC _ 115 Hình 5.27 Phần GUI thu thập dữ liệu _ 115 Hình 5.28 Chạy thực nghiệm mô hình DC/DC với tải là 3 bóng đèn 100W 116 Hình 5.29 Thông số kỹ thuật tấm pin PV được dùng 117 Hình 5.30 Xung kích tại tần số 100Khz, duty=0.4 117

Hình 5.32 Dạng điện áp VDS trên FET nhánh 1 và 2, duty=0.25 _ 118 Hình 5.33 Áp DC Link 140V với Vin=12V, duty=0.4 _ 119 Hình 5.34 Ghép nối toàn bộ hệ thống _ 119 Hình 5.35 Dạng điện áp nghịch lưu 120 Hình 5.36 Dòng điện nghịch lưu 0.75A đo trên tải trở 100Ω/100W 120 Hình 5.37 Hoà lưới 1 pha tại cường độ dòng điện hiệu dụng 0.73A _ 121

Hình 5.38 Dạng dòng áp hoà lưới 121 Hình 5.39 Phân tích THD kênh 1 – áp lưới _ 122 Hình 5.40 Phân tích THD dòng nghịch lưu _ 122 Hình 5.41 Hình chụp hệ thống khi hoà lưới tại dòng 1.435A (hiệu dụng) _ 123 Hình 5.42 Kết quả hiển thị trên GUI khi hoà lưới tại I=0.9A (RMS), áp lưới 43V, áp DC Bus 82.4V 123

14

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các đặc trưng cơ bản của 3 bộ DC/DC 33

Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật bộ DC/DC Push-pull 36

Bảng 2.3 Thông số thiết kế biến áp HF 39

Bảng 3.1 Bảng tra theo giải thuật PO 44

Bảng 3.2 Bảng luật mờ 54

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật MOSFET 96

Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật IGBT 99

Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật cuộn lọc ngõ ra 100

Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật cảm biến áp LEM LV25-P 102

Bảng 5.5 Thông số kỹ thuật cảm biến dòng LEM LA 25-NP 104

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, … đang dần cạn kiệt

và vấn đề bức thiết đặt ra cho các nhà khoa học trên toàn thế giới đó chính là tìm ra các nguồn năng lượng thay thế Trong nhiều nguồn năng lượng mới, năng lượng mặt trời đóng một vai trò quan trọng và được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Tiếp cận được nguồn năng lượng mặt trời không chỉ góp phần giải quyết vấn đề cung cấp điện năng, mà nguồn năng lượng này còn là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.Trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay

Thuận lợi tại Việt Nam: là một trong những nước nằm trong dải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới cho nên nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam rất phong phú

Việt Nam có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được Sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời sẽ có ý nghĩa như “nguồn năng lượng tại chỗ” đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện của cư dân những vùng này Như vậy, yêu cầu sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam còn mang ý nghĩa kinh tế, xã hội, quốc phòng

Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay vẫn chưa phát triển đủ để đáp ứng nhu cầu, thực trạng đó đòi hỏi phải

có các nghiên cứu cụ thể nhằm chế tạo được các bộ nghịch lưu pin mặt trời tạo thành nguồn điện có khả năng ứng dụng được trong dân dụng cũng như trong công nghiệp Các bộ nghịch lưu này phải đảm bảo chất lượng điệp áp, tính ổn định và giá thành hợp lý

16

1.2 Các vấn đề cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời:

Đầu tiên, năng lượng điện tạo ra bởi các tấm pin mặt trời là năng lượng điện 1 chiều (DC), để sử dụng được (trong công nghiệp, dân dụng, hoà lưới điện), nó phải

được chuyển đổi thành năng lượng điện xoay chiều AC

Sự chuyển đổi đó được thực hiện bởi các bộ nghịch lưu – inverter

Thông thường, điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời chưa đủ để đưa vào bộ DC-AC (hoặc do nhu cầu muốn tăng hiệu suất của các bộ biến đổi công suất), giữa pin mặt trời và tầng chuyển đổi DC/AC, thường có thêm một bộ biến đổi công suất

dạng DC/DC, tăng hoặc giảm áp (Boost/Buck)

Tuy nhiên, công suất của pin mặt trời là một đại lượng biến thiên liên tục và phụ thuộc nhiều yếu tố môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ, bóng râm,… khiến cho

ngõ ra thường không ổn định và không tận dụng được công suất tối đa

Do đó, trong bài toán năng lượng mặt trời, làm sao để sử dụng công suất pin mặt trời hiệu quả nhất, hay nói cách khác là làm sao để làm việc ở điểm công suất cực đại MPP (Max power point) là một vấn đề hết sức quan trọng Có rất nhiều kĩ thuật tối ưu điểm công suất cực đại, những kĩ thuật này còn đang được tiếp tục nghiên

cứu và phát triển

Nếu hệ thống năng lượng mặt trời phải thoả mãn yêu cầu nối lưới thì các vấn đề

sau cũng cần phải quan tâm:

+ Đồng bộ điện áp ngõ ra với điện áp lưới điện Việc đồng bộ này phải được thực hiện dựa trên việc đảm bảo tần số và góc pha Kĩ thuật nối lưới gọi là điều khiển

vòng khoá pha PLL (Phase-Locked Loop control)

+ Bảo vệ tránh tình trạng islanding – đó là một thuật ngữ chỉ tình trạng khi mất điện lưới (có thể do công nhân vận hành lưới điện ngắt lưới để sửa chữa) mà hệ thống năng lượng mặt trời vẫn phát điện cho lưới (gây nguy hiểm cho người vận hành) Hệ thống phải có khả năng phát hiện mất điện lưới và ngay lập tức ngắt ra

khỏi lưới điện

1.3 Các hệ thống năng lượng mặt trời đang được triển khai:

với hộ gia đình nông thôn, vùng sâu vùng xa), hoặc hệ thống hoạt động độc

lập (không nối lưới)

Hình 1.1 Tải DC công suất thấp, kèm với thiết bị lưu trữ (pin, accu)

Hình 1.2 Bộ nghịch lưu điện mặt trời không nối lưới, không MPPT

Các sản phẩm đơn giản như thế này hiện có rất nhiều trên thị trường, chẳng hạn như các sản phẩm của công ty Mặt Trời-BK, và đặc biệt là các sản phẩm Nghịch lưu điện mặt trời của Trung Quốc (thường không bao gồm bộ MPPT) Ưu điểm của các bộ này là rất đơn giản, dễ chế tạo, không tích hợp các giải thuật điều khiển,

không cần sử dụng Vi điều khiển mạnh, giá thành thấp

Đối với bộ nghịch lưu không nối lưới, nhất định phải có thiết bị lưu trữ (pin,

accu)

Tuy nhiên, cũng chính vì thế, các bộ này có hiệu suất rất thấp, tuổi thọ ngắn, mức

độ suy hao nhanh (chỉ dùng được một thời gian ngắn là công suất ngõ ra chỉ còn

khoảng 50% so với thời gian đầu)

18

năng lượng mặt trời nối lưới:

Hình 1.3 Bộ nghịch lưu trung tâm

Với hệ thống năng lượng mặt trời tại nhà (hay lắp đặt cho các toà nhà) theo kiểu

này có thể đạt công suất từ trên 1kW tới10kW

Đây là giải pháp truyền thống được thực hiện từ trước tới nay Ban ngày hộ gia

đình bán điện cho công ty điện lực (trả năng lượng lên lưới), ngược lại ban đêm mua điện về để sử dụng Hệ thống nối lưới đòi hỏi chất lượng điện áp cao (các tiêu

chuẩn về độ méo dạng sóng hài, …) và yêu cầu bộ điều khiển hoà lưới (PLL)

Hệ thống này không cần thiết bị lưu trữ điện (các pin hay accu thường có tuổi thọ ngắn hơn nhiều so với các linh kiện khác trong hệ thống) Tuy nhiên, trong một vài

trường hợp, accu cũng được sử dụng nếu cần thiết

Thuật toán MPPT được thực hiện tại bộ biến đổi công suất trung tâm

Mặc dù đây là giải pháp được sử dụng nhiều nhất cho đến bây giờ, nhưng bản thân nó cũng chứa nhiều nhược điểm, trong đó đáng kể nhất là: Công suất thu được

từ pin mặt trời chưa thực sự tối ưu, đặc biệt trong trường hợp bị che bóng cục bộ (một số cell trong toàn bộ hệ thống bị che bóng sẽ làm giảm công suất toàn bộ hệ thống, thuật toán MPPT trong trường hợp này không xác định được chính xác công

suất tối ưu)

Tức là hệ thống có nhiều bộ biến đổi điện áp DC/DC gắn với 1 bộ inverter ở trung tâm Các bộ micro-DC/DC-converter được thiết kế để gắn sau mỗi tấm pin

(trong phạm vi giải thuật MPPT sử dụng cho bộ micro converter)

Mỗi bộ micro converter thường chỉ kiểm soát một lượng công suất nhỏ, tối đa là

300W Thông thường nó được thiết kế để hoạt động trong tầm 190-220W

Tuy nhiên, nó vẫn còn những điểm hạn chế như:

+ Linh kiện trong bộ Inverter vẫn phải chịu công suất cao, toả nhiều nhiệt, do đó thiết bị tản nhiệt và quạt có kích thước lớn, cồng kềnh Nhiệt lượng toả ra cũng làm

giảm tuổi thọ linh kiện

+ Kết nối các bus DC phức tạp (chiều dương, âm)

+ Bus DC có điện áp cao kéo dài từ mỗi tấm pin tới bộ inverter chứa đựng nhiều rủi

ro khi vận hành

+ Cũng như giải pháp Bộ nghịch lưu trung tâm (Central Inverter Solutions), giải

pháp này cũng không tránh khỏi trường hợp cả hệ thống ngừng hoạt động khi sự cố

xảy ra tại 1 vị trí của bộ inverter

20

Tại ngay từng tấm pin mặt trời (hoặc ghép vài tấm pin với nhau) sẽ được gắn một bộ inverter hoàn chỉnh (tức là bao gồm cả bộ biến đổi điện áp DC/DC lẫn bộ

nghịch lưu) với đầy đủ giải thuật MPPT và điều khiển hoà lưới

Ngõ ra của một bộ micro-inverter này là điện AC, true-sine, đồng bộ với điện

lưới

Micro-inverter được thiết kế với tầm công suất khoảng 190-220W, tối đa cũng

chỉ đạt tới 300W, để tối ưu hoá công suất của từng tấm pin mặt trời

Công nghệ micro-inverter được đánh giá là công nghệ thế hệ mới của vấn đề năng lượng tái tạo, mới được nghiên cứu phát triển trong vòng 5 năm, sản phẩm

thương mại đầu tiên mới chỉ xuất hiện vào năm 2008

Tính ưu việt của giải pháp này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo

Hình 1.5 Giải pháp micro-inverter

1.4 Hướng đi mới cho công nghệ năng lượng mặt trời – Micro-Inverter

1.4.1 Lịch sử hình thành – thị trường đầy tiềm năng:

Năm 1991, công ty Ascension Technology của Hoa Kì bắt đầu phát triển bộ nghịch lưu AC Khoảng năm 1995-1996, AEE phát triển các sản phẩm bộ nghịch

lưu siêu nhỏ micro-inverter tần số cao, với công suất khoảng 100W

Các dự án về micro-inverter đang hứa hẹn nhiều triển vọng thì đến năm 2001, xảy ra một vài sự kiện về mua bán – sát nhập công ty và đến năm 2003 dự án bị

dừng lại

về năng lượng mặt trời, nhận thấy rằng, string-inverter chỉ đạt được hiệu suất thấp khi thiết kế cho một dãy nhiều module Do đó cần phải có một hướng đi mới hiệu

quả hơn

Năm 2006, ông thành lập công ty Enphase Energy, và tập trung giải quyết bài

toán inverter trong suốt năm 2007

Năm 2008, sản phẩm Enphase M175 ra đời, đó cũng chính là sản phẩm

micro-inverter đầu tiên trên thế giới thành công về mặt thương mại

Kế tiếp, sản phẩm M190 được giới thiệu vào năm 2009 lại càng thành công hơn M190 được thiết kế để gắn ngay sau các tấm pin mặt trời Nó bao gồm 1 CPU sử dụng giao thức truyền thông năng lượng (power line communication - PLC) để gửi

dữ liệu trạng thái vận hành khi được hỏi đến (polled) Một thiết bị thứ hai, gọi là Envoy sẽ thực hiện hỏi vòng (polling) từng module inverter, thu thập dữ liệu và gửi

về trạm vận hành qua internet Dữ liệu được thu thập sau mỗi 15 phút và hiển thị

trên một website

Hình 1.6 Bộ micro-inverter của hãng Enphase

Cuối năm 2010, Enphase thông báo rằng họ đang cải tiến sản phẩm của mình, giảm thiểu cáp và port kết nối để giảm giá thành, phiên bản sản phẩm này có thể có

tên là M215

22

Đến đầu năm 2011, Enphase tuyên bố các thiết kế mới của họ sẽ được thay đổi

nhãn hiệu và được phân phối bởi Siemens

Solar Micro-inverter là một hướng nghiên cứu còn rất mới, và thị trường rất tiềm năng Chỉ đến năm 2010 trên thế giới mới xuất hiện một vài công ty cạnh tranh với

Enphase trong lĩnh vực này

1.4.2 Micro-inverter sẽ chiếm ưu thế trong xu hướng phát triển hệ thống năng lượng mặt trời

Phương án chế tạo các bộ biến đổi năng lượng mặt trời theo dạng micro-inverter

sẽ chiếm ưu thế trong xu hướng phát triển hệ thống năng lượng mặt trời do các yếu

tố sau:

- Thay đổi từ bộ nghịch lưu trung tâm thành các bộ nghịch lưu phân tán để tối ưu

công suất nhận được

- Tích hợp bộ chuyển đổi năng lượng ngay sau tấm pin mặt trời giúp giảm thiểu chi

phí lắp đặt, kết nối

- Cải thiện độ tin cậy của hệ thống lên từ 5 cho tới 20 năm nhờ giảm nhiệt độ của

các thiết bị công suất

- Thay thế các kĩ thuật chuyển mạch cứng bằng kĩ thuật chuyển mạch mềm, nâng

cao hiệu suất, giảm tổn thất do toả nhiệt

- Chuẩn hoá thiết kế (kể cả phần cứng và phần mềm), do đó tăng độ tin cậy, tính ổn

được tiếp tục nghiên cứu

Phạm vi đề tài tập trung nghiên cứu, giải quyết các vấn đề sau:

+ Đề xuất phướng án thiết lập hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời theo hướng

micro-inverter

+ Trong đó ứng dụng thuật toán MPPT để dò tìm điểm công suất cực đại của bộ pin năng lượng mặt trời, điều khiển hệ thống làm việc tại điểm công suất cực đại (MPP)

này

+ Ứng dụng thuật toán điều khiển hoà lưới đối với 1 bộ micro-inverter và khi ghép

các bộ micro-inverter với nhau

+ Mô phỏng hệ thống với các giải thuật khác nhau

+ Thiết kế một bộ micro-inverter ứng dụng thuật toán đã trình bày

24

CHƯƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ CỦA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Hoạt động của Pin năng lượng mặt trời – PV cell

2.1.1 Giới thiệu pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời – Photovoltaic hay thường được gọi là PV, được cấu tạo từ các lớp bán dẫn P-N, khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào, các electron có mức năng lượng ở dãy cấm (vùng hóa trị) nhận năng lượng từ photon (E) để chuyển lên

mức năng lượng dãy dẫn và trở thành electron tự do

Năng lượng từ photon:

Hình 2.1 Phân vùng năng lượng của electron trong bán dẫn P-N

Trong hình trên Ec, Ev lần lượt là năng lượng các electron ở dãy dẫn và dãy cấm

Eg là năng lượng cần thiết để một electron chuyển từ dãy cấm lên dãy dẫn Eg tùy

thuộc vào từng loại bán dẫn

2.1.2 Mô hình toán pin năng lượng mặt trời:

Do 1 cell PV được cấu tạo từ bán dẫn P-N,nên ta có thể tương đương thành 1

diode mắc song song với 1 nguồn dòng có điện trở nội

Hình 2.2 Mô hình một cell pin PV

Ta có dòng điện ra khỏi một cell pin mặt trời:

26

Từ các phân tích trên, pin mặt trời sẽ có các đặc tuyến dòng-áp và công suất-điện

áp như trong hình dưới đây Từ đặc tuyến của pin, ta có thể thấy rằng, chỉ có duy nhất một điểm làm việc mà tại đó công suất của pin sẽ đạt giá trị cực đại

Điểm này được gọi là MPP – Maximum Power Point, tức là điểm có công suất cực đại

Hình 2.3 Đặc tuyến I-V và P-V của pin mặt trời

Tuy nhiên đặc tuyến I-V của pin còn phụ thuộc vào thông số nhiệt độ môi trường

và công suất bức xạ của mặt trời

Hình 2.4 Đặc tuyến I-V và P-V tại nhiệt độ 25ºC và 3 giá trị bức xạ khác nhau

Hình 2.4 mô tả sự thay đổi các đặc tuyến của pin khi nhiệt độ môi trường là cố định còn bức xạ thay đổi, hình 2.5 biểu diễn các đặc tuyến của pin khi bức xạ giữ cố

] còn nhiệt độ thay đổi với các giá trị khác nhau

Hình 2.5 Đặc tuyến I-V và P-V của pin khi công suất bức xạ cố định và nhiệt độ

thay đổi

Điện áp ngõ ra từ mỗi cell pin thường rất nhỏ, do đó tấm pin thực tế được ghép nối từ nhiều cell, bao gồm ghép nối tiếp và song song để đạt được công suất và điện

áp mong muốn

Các cell pin khi mắc nối tiếp sẽ làm tăng áp hở mạch của bộ pin và tương tự, mắc

song song sẽ làm tăng dòng ngắn mạch của bộ pin

28

Hình 2.6 Đặc tuyến khi mắc các cell pin nối tiếp (bên trái) và song song (bên phải)

Nếu các cell pin khi mắc nối tiếp không được chiếu sáng đồng đều, thì sẽ có 1 một số cell pin xuất hiện dòng ngược, dẫn đến đảo cực tính của các cell pin đó, điều này sẽ làm hỏng cell pin do dòng dương từ các cell pin được chiếu sáng.Vì vậy, ta cần có diode bypass để bảo vệ cell pin không được chiếu sáng

Hình 2.7 Diode bypass để bảo vệ các cell pin

Hình 2.8 Tấm pin thực tế gồm nhiều cell pin ghép song song hoặc nối tiếp với nhau

2.2 Sơ đồ hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời hoà lưới theo phương án micro-inverter

Hệ thống biến đổi năng lượng pin mặt trời có các khối cơ bản như trong hình sau:

sẽ khác nhau Nếu không sử dụng thuật toán MPPT để xác định điểm làm việc ứng với công suất cực đại của bộ pin mặt trời, giá trị điện áp ngõ ra bộ pin thu được có thể sụt xuống rất thấp, không đủ để thực hiện yêu cầu hoà lưới

Bộ DC/DC sẽ giải quyết được vấn đề nêu trên Tại bộ DC/DC, thuật toán MPPT

sẽ được áp dụng, điều khiển tỷ số đóng cắt của các khoá bán dẫn, tương đương với việc thay đổi tải, nên thay đổi được điểm làm việc của hệ thống, đưa hệ thống tới điểm MPP Hơn nữa, bộ DC/DC còn có nhiệm vụ tăng điện áp DC từ bộ pin PV (thường có giá trị nhỏ) lên tới mức điện áp lớn hơn ổn định, được gọi là điện áp DC-Link hay DC-Bus, làm nguồn cố định cho tầng nghịch lưu phía sau

Điện áp DC ổn định sau tầng DC/DC đưa vào tầng DC/AC (tầng nghịch lưu, inverter) để tạo thành điện áp xoay chiều Điện áp này có thể sử dụng cho các tải tại chỗ (local load, off-grid load) hoặc hoà vào lưới điện Bộ điều khiển tầng Inverter

Chức năng và giải thuật điều khiển từng khối sẽ được mô tả chi tiết trong những phần sau

2.3 Bộ biến đổi công suất DC/DC

2.3.1 Vai trò của bộ biến đổi công suất DC/DC

Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT dựa trên nguyên lý thay đổi tải

để tải làm việc đúng tại điểm công suất cực đại (MPP) của pin năng lượng mặt trời Việc thay đổi đặc tuyến tải được thực hiện thông qua bộ biến đổi điện áp một chiều (DC/DC converter), tức là, bộ DC/DC được điều khiển để đảm nhiệm vai trò thay đổi điểm làm việc của hệ thống, từ đó hệ thống sẽ “bắt được” điểm năng lượng cực đại mà tấm pin năng lượng mặt trời có thể cung cấp

Thuật toán MPPT có nhiệm vụ dò tìm được điểm MPP, sau đó tính toán và đưa giá trị điều khiển tới bộ DC/DC, bộ DC/DC thay đổi chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) của các kênh PWM để điều chỉnh đặc tuyến tải về điểm công suất lớn nhất, hay, nói cách khác, hệ thống sẽ làm việc tại điểm công suất cực đại này

Bộ DC/DC có nhiều dạng cấu hình khác nhau với các đặc trưng riêng, tuy nhiên trong các hệ thống sử dụng pin năng lượng, bộ DC/DC thường được sử dụng để đảm nhận các nhiệm vụ chính là:

+ Giảm áp (buck, hay step-down): khi cần sử dụng điện áp thấp hơn điện áp ngõ vào của bộ biến đổi Các ứng dụng điển hình của bộ DC/DC dạng này bao gồm:

Hình 2.10 Điều chỉnh đặc tuyến tải theo duty cycle (x) của các kênh PWM

để dự trữ năng lượng từ pin mặt trời

(giảm áp xuống các mức nhỏ hơn phù hợp với hệ thống điều khiển 15V, 12V, 5V, 3.3V,…)

+ Tăng áp (boost, hay step-up): thông thường điện áp đạt được từ các tấm pin năng lượng mặt trời không cao do đó cần dùng một bộ DC/DC tăng áp để đưa đến một giá trị điện áp đủ lớn trước khi vào bộ nghịch lưu Bộ DC/DC tăng áp là bộ biến đổi điện áp một chiều được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống năng lượng mặt trời

+ Bộ DC/DC tăng-giảm áp: tức là bộ DC/DC có thể điều khiển để hoạt động ở chế

độ tăng áp hoặc giảm áp Trong các hệ thống năng lượng mặt trời lớn, số lượng pin nhiều, khi điều kiện bức xạ tốt điện áp do các tấm pin tạo thành lớn hơn điện áp DC Bus (điện áp làm việc của bộ nghịch lưu), khi đó bộ DC/DC phải thực hiện chức năng giảm áp Ngược lại, khi điện áp từ các tấm pin nhỏ hơn điện áp DC Bus, bộ DC/DC phải thực hiện chức năng tăng áp để giữ giá trị DC Bus ổn định

Bộ DC/DC được sử dụng trong đề tài thuộc dạng tăng áp, với nhiệm vụ là ứng dụng thuật toán MPPT để hệ thống làm việc tại điểm công suất cực đại của các tấm pin năng lượng mặt trời

32

2.3.2 Lựa chọn cấu hình bộ biến đổi điện áp DC/DC:

Có rất nhiều cấu hình công suất cho bộ biến đổi DC/DC dạng tăng áp, việc lựa chọn cấu hình phù hợp cần cân đối giữa nhiều yếu tố: tầm công suất hoạt động, hiệu suất có thể đạt được, số linh kiện đóng cắt, kích thước biến áp, độ phức tạp của phương pháp điều khiển, độ phức tạp của mạch lái linh kiện bán dẫn, giá thành,… Trong đó, 3 cấu hình thường được sử dụng với tầm công suất từ vài trăm Watt đến dưới 1kW là Push-pull, Half-bridge và Full-bridge

Một trong những ưu điểm của 3 cấu hình này đó là sử dụng biến áp cách ly giữa phần sơ cấp (điện áp từ bộ pin năng lượng mặt trời) và phần thứ cấp (điện áp VBUS đưa vào bộ nghịch lưu) nhằm đảm bảo an toàn cho hệ thống Ngoài ưu điểm về tính cách ly, sử dụng biến áp trong bộ DC/DC còn đạt được hiệu suất cao hơn khoảng

15% so với cấu hình tương ứng nhưng không dùng biến áp [10]

Q2 Q1

Hình 2.13 Bộ DC/DC converter kiểu Full-Bridge

Bảng 2.1 Các đặc trưng cơ bản của 3 bộ DC/DC

Cấu

D max

(duty cycle lớn nhất)

Hàm truyền DC (V out /V in )

Số khoá bán dẫn

Điện

áp lớn nhất trên khoá

Dòng điện lớn nhất qua khoá

Điện

áp lớn nhất trên bộ chỉnh lưu

-V IN

+ -

-V IN

+ -

34

trong khi đó cấu hình Haft-bridge phù hợp với tầm công suất đến 500W và cấu hình full-bridge phù hợp ở tầm công suất trên 500W đến vài kW [7,8,9,10]

push-pull thấp hơn (Half-bridge: 2 MosFET + 2 tụ, Full-bridge: 4 MosFET), giảm được tổn hao do đóng cắt và chi phí sản xuất (giảm linh kiện, mạch kích,…)

hiện hơn vì cả 2 MosFET này đều có tham chiếu với GND và có thể hoạt động ổn định mà không cần thiết kế nguồn cách ly cho khối mạch kích Trong khi đó 2 cấu hình Half-bridge và Full-bridge có sử dụng 1 hoặc 2

MosFET nhánh cao (high-side), điểm tham chiếu thả-nổi (floating) do đó

mạch kích phức tạp hơn và cần chú ý nguồn kích cách ly để đảm bảo an toàn

hình trên, tuy nhiên điều đó chỉ thể hiện ở tầm công suất lớn hơn 500W [8] Đối với dự án micro-inverter công suất dưới 300W, bộ DC/DC dạng push-pull là một lựa chọn hiệu quả

vào thấp [11] Đối với mô hình micro-inverter công suất dưới 300W, cần sử dụng số lượng pin mặt trời ít, do đó điện áp ngõ ra của bộ pin thấp (ví dụ, mỗi pin công suất 80W, để đạt công suất 200W cần 3 tấm pin; mỗi tấm điện

áp đạt được ở điều kiện nắng tốt khoảng 15V, do đó tổng điện áp của bộ pin khoảng 45V)

Tuy nhiên, một số vấn đề lưu ý khi sử dụng cấu hình push-pull như sau:

năng lượng mặt trời có tổng giá trị từ 26-65 VDC, do đó việc lựa chọn linh

không quá cao

điện áp làm việc của DC Bus

2.3.3 Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC cấu hình Push-pull

D1

Q2 Q1

Hình 2.14 Bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC dạng Push-pull

Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC dạng push-pull sử dụng 2 MosFET đóng

vai trò là khoá đóng cắt (switches) được điều khiển bằng 2 kênh PWM thông qua

một tầng mạch kích cho mỗi một nhánh

Hai MosFET thay phiên nhau đóng cắt (phase-shift 180º), tạo dòng điện xoay chiều qua cuộn dây sơ cấp

D được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) của Q1, Q1, được định nghĩa là tỷ số

Điện áp trên hai đầu cuộn dây thứ cấp là điện áp xoay chiều, do đó cần phải qua

bộ chỉnh lưu để tạo thành điện áp DC

Bộ chỉnh lưu tạo thành bởi cầu diode, các diode này phải đáp ứng được tần số đóng cắt cao tương ứng với tần số điều khiển MosFET phía sơ cấp

Điện áp sau bộ chỉnh lưu được lọc qua bộ lọc L-C

Hình sau trình bày dạng điện áp, dòng điện qua các phần tử của mạch công suất

+ Điện áp lớn nhất đặt trên các linh kiện đóng cắt gấp đôi điện áp Vin

+ Tần số đóng cắt bộ DC/DC phải cao (trong đề tài chọn f=50Khz) để giảm kích thước biến áp

+ Diode phía chỉnh lưu phải đáp ứng được tần số đóng cắt cao

2.3.4 Thiết kế bộ biến đổi điện áp DC/DC Push-pull đáp ứng yêu cầu đề tài:

Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật bộ DC/DC Push-pull

Tuy nhiên cần sử dụng deadband để tránh trùng dẫn (trạng thái cả Q1, Q2 cùng