Đang tải... (xem toàn văn)
Hiệu quả làm việc của bộ nghịch lưu trong hệ thống phát điện pin mặt trời hòa lưới phụ thuộc vào nhiều yếu tố từ khâu tăng áp, khâu điều chế đến khâu lọc đầu ra. Khâu tăng áp có vai trò đảm bảo biên độ điện áp đầu ra nằm trong phạm vi nhất định. Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch tăng áp DC/DC, lựa chọn hệ số chu kỳ D (Duty cycle) có xét đến sự ảnh hưởng của cường độ bức xạ mặt trời.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Nghiên cứu, thiết kế mạch tăng áp DC/DC nghịch lưu hòa lưới hệ thống pin mặt trời Nguyễn Đức Minh 1, *, Đỗ Như Ý 2, Trịnh Trọng Chưởng Viện Khoa học Năng lượng, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, email: minhnguyenduc.ies@gmail.com Trường Đại học Mỏ- Địa chất, email: donhuy.humg@gmail.com Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, email: chuongtt@haui.edu.vn THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 15/04/2021 Chấp nhận 16/8/2021 Đăng online 19/12/2021 Hiệu làm việc nghịch lưu hệ thống phát điện pin mặt trời hòa lưới phụ thuộc vào nhiều yếu tố từ khâu tăng áp, khâu điều chế đến khâu lọc đầu Khâu tăng áp có vai trò đảm bảo biên độ điện áp đầu nằm phạm vi định Bài báo trình bày kết nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch tăng áp DC/DC, lựa chọn hệ số chu kỳ D (Duty cycle) có xét đến ảnh hưởng cường độ xạ mặt trời Kết thực nghiệm thấy với cấu trúc mạch thiết kế hệ số chu kỳ D đề xuất cải thiện hiệu suất mạch tăng áp, nâng cao hiệu làm việc cho nghịch lưu tỏ rõ khả ứng dụng thực tế Từ khóa: Hệ thống PV hịa lưới, Bộ biến đổi DC/DC, hệ số chu kỳ D, Theo dõi điểm phát cơng suất cực đại tồn cục GMPPT © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Zhou, Q Luo, and B Zhu, 2013) Tùy vào yêu cầu đặt sử dụng cấu trúc cách ly không cách ly (M Forouzesh, Y P Siwakoti, S A Gorji, F Blaabjerg, and B Lehman, 2017) Các chuyển đổi sử dụng biến áp thu hệ số tăng áp cao cách điều chỉnh tỷ số vòng dây sử dụng linh kiện có giá trị định mức thấp để giảm tổn thất dẫn Tuy nhiên, điện cảm rò gây gai điện áp cao linh kiện cơng suất thường địi hỏi mạch dập xung (snubber) Có thể sử dụng mạch dập xung kiểu điện trở - tụ điện - diode (RCD) mạch kẹp để giảm tổn thất lượng (M Sahoo and S Kumar K, 2014); (P Marabeas, D Coutellier, J Yang, S Choi, and V G Agelidis, 2011) Hiệu suất mạch tăng áp DC/DC hay hiệu làm việc cho nghịch lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: cấu hình; thiết bị điện tử công suất; phương pháp điều khiển; kỹ thuật bám theo điểm công suất cực đại; điều kiện môi trường; công suất truyền tải qua biến đổi; Và yếu tố liên quan đến nhau, hợp thành để nâng cao Mở đầu Bộ biến đổi DC-DC tăng áp chế độ chuyển mạch có tảng bắt nguồn từ việc phát triển biến đổi tăng áp điều chế độ rộng xung (PWM) Các cấu trúc liên kết DC-DC tăng áp chuyển đổi mức điện áp thấp thành mức cao cách tạm thời lưu trữ lượng đầu vào sau giải phóng đầu với mức điện áp cao Các lưu trữ thực phận lưu trữ từ trường (cuộn cảm) phận lưu trữ điện trường (tụ điện) qua việc sử dụng yếu tố chuyển mạch chủ động thụ động (công tắc điện điốt) ( Trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn hệ thống PV hịa lưới E Figueres, G Garcerá, J Sandia, F González-Espín, and J C Rubio, 2009) hệ thống phát điện dùng lượng tái tạo, cần thiết phải sử dụng chuyển đổi với hệ số tăng áp cao Các chuyển đổi tăng áp DC/DC khác trình bày tài liệu (S Deshpande and N R Bhasme, 2018); (S Chen, L 129 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) hiệu làm việc biến đổi Tuy nhiên, số vấn đề cần xem xét thêm, thứ để thiết kế chuyển đổi nhỏ gọn, phải có cách để giảm thiểu loại bỏ tổn thất chuyển mạch Trong trường hợp kỹ thuật chuyển mạch mềm cộng hưởng áp dụng cho tăng áp cao; thứ hai khoảng thời gian công suất đầu pin mặt trời (PV) thấp hiệu suất biến đổi DC/DC thấp chưa có số liệu đủ tin cậy phạm vi đủ rộng dải tần số điều chế để xác định mối quan hệ tần số băm áp độ rộng xung điều chế đến hiệu suất biến đổi DC/DC; thứ ba việc xác định điểm công suất cực đại (MPPT) truyền thống khó để theo dõi có bóng che phần có nhiều điểm MPPT địa phương (A Kumar, 2015); (P Kumar, G Jain, and D K Palwalia, 2015) Trong báo này, chúng tơi trình bày đề xuất cấu hình tăng áp DC/DC cách sử dụng cấu hình tăng áp sử dụng khóa bán dẫn, cuộn kháng hệ số tăng áp cao cấu hình thơng thường Từ dẫn đến việc điều khiển dễ dàng hơn, tổn thất linh kiện, hiệu suất tăng, giảm kích thước trọng lượng mạch, chi phí thấp Bên cạnh đó, chúng tơi tính tốn lựa chọn hệ số chu kỳ D (Duty cycle) hợp lý có xét đến ảnh hưởng cường độ xạ mặt trời Kết thực nghiệm cho thấy: mạch đề xuất cải thiện hiệu suất, nâng cao hiệu làm việc nghịch lưu Mạch tăng áp DC/DC đề xuất Hình mơ tả cấu hình mạch tăng áp DC/DC đề xuất, bao gồm nguồn cung cấp DC với điện áp nguồn Pin quang điện (Vin), khóa bán dẫn chuyển mạch (S), ba diode (D1, D2, D3), cuộn cảm (L), ba tụ điện (C1, C2, C3) Đầu ra nối với tải trở (Rload) Giá trị điện áp đầu Vo tăng cao nhờ hoạt động khóa bán dẫn S khả tích trữ lượng cuộn dây L tụ điện C3 làm cho điện áp tụ C1 C2 cao điện áp nguồn cấp Phương pháp điều khiển dựa phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 2.2 Phân tích mạch Cấu hình tăng áp hoạt động dựa hai trạng thái đóng mở khóa bán dẫn S D1 L1 RLoad C3 D2 Hình 2a Trạng thái Trạng thái (hình 2): khoảng thời gian t = T-TON, khóa S mở, lúc lượng nguồn lượng cuộn kháng L nạp qua tụ C1 C3 thông qua diode D1 D3 Điện áp tụ xác định theo công thức (1): D1 𝑈𝑐1 = 𝑈𝑐3 = 𝑈𝑖𝑛 C1 RLoad C3 𝑇 𝑇 − 𝑇𝑂𝑁 (1) Ở đây: Uc1, Uc2, Uc3 điện áp tụ C1, C2, C3; Uin điện áp nguồn; T chu kỳ chuyển mạch; TON thời gian đóng khóa bán dẫn S S Vin D3 C2 2.1 Cấu hình mạch tăng áp DC/DC đề xuất L1 C1 S Vin D3 Trạng thái (hình 2b): thời gian TON, khóa S đóng Lúc lượng từ nguồn DC tích trữ vào cuộn kháng L Trong trạng thái khóa S D2 đóng nên điện áp từ tụ C3 nạp qua tụ C2 Điện áp tụ C2 có giá trị điện áp tụ C3 C2 D2 Hình Cấu hình mạch tăng áp DC/DC đề xuất 130 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) đóng ngắt cho MOSFET (Metal-OxideSemiconductor Field Effect Transistor): Vimin = 15V Điện áp định mức đầu ra: điện áp đầu điểm có cơng suất cực đại khơng có bóng che, VON = 165V Dịng tải lớn nhất: IOmax = VON/RL = 165/154 = 1,1 A Độ rộng xung tối đa Dmax = 80% Tần số đóng cắt: fs = 40kHz Các loại mạch tích hợp: gồm cảm biến, mạch xử lý tín hiệu phục vụ điều khiển MPPT D1 L1 C1 S Vin RLoad C3 D3 C2 D2 Nguồn cấp DC (Pin quang điện) Hình 2b Trạng thái Như vậy: 𝑈𝑐2 = 𝑈𝑐3 = 𝑈𝑖𝑛 𝑇 𝑇−𝑇𝑂𝑁 Vpv Tải ngõ Ipv (2) GMPPT (Arduino) Thay (2) vào (1) xác định điện áp tụ C1 C2 phương trình (3): 𝑈 − 𝐷 𝑖𝑛 Khi hệ số tăng áp mạch (kB) là: PWM Mạch kích Mosfet Hình Sơ đồ mơ hình thực nghiệm 𝑈𝑐1 = 𝑈𝑐2 = 𝑈𝑖𝑛 (3) 1−𝐷 Do điện áp tụ C1 C2 đối xứng, nên điện áp tải (Uload) có giá trị là: 𝑈𝐿𝑜𝑎𝑑 = 𝑈𝑐1 + 𝑈𝑐2 = 2𝑈𝑐2 = Mạch tăng áp dc-dc đề xuất Mạch thực nghiệm cấu hình tăng áp đề xuất điều khiển board Arduino UNO R3 Mạch tăng áp đề xuất xây dựng với MOSFET cơng suất kết hợp với mạch kích để điều khiển, diode xung, tụ điện phân cực sử dụng để lưu lượng tạm thời mạch cuộn cảm, mơ hình thực nghiệm cho hình Phần mềm PSIM sử dụng để khảo sát cấu hình tăng áp đề xuất với giải thuật dò điểm MPPT GA P&O cho hệ thống PV làm việc điều kiện xạ đồng có bóng che phần Trong báo này, khảo sát hệ thống PV công suất 60W (có 36 cell) làm việc trường hợp có mức xạ khác với nhiệt độ môi trường (25oC) tải không thay đổi (4) (5) 1−𝐷 Từ (5) giá trị hệ số chu kỳ D là: < D < 𝑘𝐵 = Như vậy, cấu hình mạch tăng áp đề xuất sử dụng khóa bán dẫn chuyển mạch S Bên cạnh cấu hình cho hệ số nhân áp cao điện áp tụ C1, C2, C3 điện áp phục hồi ngược diode D1, D2, D3 nửa so với điện áp đầu Do đó, sử dụng diode Schottky có giá thành thấp giảm thiểu tổn thất liên quan đến việc phục hồi ngược diode Bảng Thông số linh kiện sử dụng mô thực nghiệm Thông số L D1, D2, D3 C1, C2, C3 Tụ điện Cin Khóa bán dẫn S Tần số chuyển mạch (fs) Cuộn dây Diode Mô thực nghiệm 3.1 Thông số kỹ thuật đầu vào Lựa chọn linh kiện cho mạch, gồm thông số với yêu cầu kỹ thuật mạch sau: Điện áp danh định: điện áp pin điểm có cơng suất cực đại: VN = 52V Điện áp lớn nhất: lấy điện áp hở mạch pin: Vimax = 65V Điện áp cực tiểu: điện áp tối thiểu để Arduino điều khiển 131 Giá trị 0.4mH MUR1660CT 470µF/250V 470µF/100V IRFP250N 40kHz HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) cao chuyển đổi 91,5% tần số chuyển mạch f = 65kHz f = 40 kHz Hiệu suất (%) 95 90 85 Mô Thực nghiệm 80 50 Hình Cấu hình mạch tăng áp đề xuất tìm MPPT Hiệu suất (%) • Cấu hình mạch tăng áp đề xuất với nguồn chiều cố định 170 f = 50 kHz 95 3.2 Kết thảo luận 100 P (W) 140 90 85 Mô Thực nghiệm 80 50 100 P (W) 140 170 f = 65 kHz Hiệu suất (%) 92 90 88 Mơ Thực nghiệm 86 84 Hình Điện áp đầu Vo cấu hình tăng áp 50 Hình dạng sóng điện áp đầu cấu hình tăng áp đề xuất Với hệ số chu kỳ D = 0.5,Vin = 30V, R = 80Ω điều kiện lý tưởng không xét đến tổn thất lượng chuyển đổi, giá điện áp đầu mô Vo = 120V thể qua đường màu đỏ Ở điều kiện có xét đến tổn thất lượng giá trị điện áp đầu mô Vo = 105.65V thể qua đường màu xanh dương Giá trị điện áp đầu thực nghiệm Vo = 104.25V thể qua đường màu hồng 100 P (W) 140 170 Hình So sánh hiệu suất mơ thực nghiệm cấu hình theo fs Với tần số chuyển mạch f = 65kHz, điện áp đầu vào Vin = 30V, hiệu suất mô thực nghiệm đo mức tải khác hệ số chu kỳ (D) khác thể hình Hiệu suất thực nghiệm cao đo 91% hệ số D = 0.35 Nhìn chung, kết điện áp đầu ra, hiệu suất mơ thực nghiệm có chênh lệch tổn thất lượng linh kiện, đặc biệt điện trở nối tiếp tụ điện ESR mà phần mềm mô mơ tả xác (khơng có thiết bị hỗ trợ nên khơng xác định xác điện trở nối tiếp tụ điện ESR) • Khảo sát mạch tăng áp đề xuất với nguồn DC cố định nhiều hệ số chu kỳ tần số chuyển mạch Kết so sánh hiệu suất mô thực nghiệm cấu hình đề xuất với điện áp đầu vào Vin = 50V, hệ số D = 0.5 trình bày Hình Hiệu suất đo mức tải khác tần số chuyển mạch khác Hiệu suất thực nghiệm 132 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) D=0.35 Hiệu suất (%) 95 90 85 80 Mô Thực nghiệm 75 P (W) 100 Hình Đặc tuyến P-V hệ thống pin quang điện 1000-800-600 W/m2 150 D=0.5 90 Hiệu suất (%) 50 88 86 84 Mô Thực nghiệm 82 80 50 P (W) 100 Hình Kết mơ dò điểm MPPT với giải thuật P&O GA 1000-800-600 W/m2 Trường hợp 2: Các pin có mức xạ 800-400-200 W/m2 (điểm cực đại toàn cục nằm giữa) 150 D=0.7 Hiệu suất (%) 90 85 80 75 Mô Thực nghiệm 70 50 P (W) 100 150 Hình So sánh hiệu suất mơ thực nghiệm cấu hình đề xuất theo hệ số D Hình 10 Đặc tuyến P-V hệ thống pin quang điện 800-400-200 W/m2 • Cấu hình mạch tăng áp đề xuất với nguồn pin quang điện dị MPPT Hình 10 mơ tả đặc tuyến P-V hệ PV với mức xạ module 800-400200W/m2, đặc tuyến có đỉnh cơng suất cực đại đỉnh có cơng suất lớn 55,79W nằm Hình 11 thể điểm cơng suất mà giải thuật P&O GA dị chạy cấu hình tăng áp đề xuất Qua hình nhận thấy giải thuật GA dị điểm có cơng suất cực đại 55,82W, giải thuật P&O bị rơi vào điểm cực trị địa phương bên trái 50,98W Trường hợp 1: Các pin có mức xạ 1000-800-600 W/m2 (điểm cực đại toàn cục nằm bên phải) Hình thể đặc tuyến P-V hệ thống pin quang điện với mức xạ module 1000-800-600W/m2, đặc tuyến có đỉnh cơng suất cực đại đỉnh có cơng suất lớn 127,47W nằm phía bên phải Hình thể điểm công suất mà giải thuật P&O GA để dị MPPT chạy cấu hình tăng áp đề xuất Nhận thấy giải thuật GA dị điểm có cơng suất cực đại 127,1W, giải thuật P&O bị rơi vào điểm cực trị địa phương 108,1W 133 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) thống PV làm việc điều kiện có bóng che phần khơng hiệu giải thuật GA Kết luận Bài báo đề xuất cấu hình tăng áp DC/DC giúp giảm số linh kiện bán dẫn, hệ số nhân áp cao, hiệu suất cao so với cấu hình truyền thống nghiên cứu trước Cấu hình có cấu trúc đơn giản nên dễ dàng kiểm tra hư hỏng xác suất hư hỏng linh kiện thấp Ngồi ra, báo trình bày phương pháp điều chế độ rộng xung, kết phân tích mạch tính tốn, lựa chọn linh kiện cho cấu hình tăng áp DC/DC đề xuất áp dụng giải thuật dò điểm cơng suất cực đại cấu hình đề xuất Trên sở lý thuyết trình bày, mơ thực nghiệm tiến hành để chứng minh khả hoạt động mạch Từ kết mô thực nghiệm kiểm chứng số ưu điểm mạch tăng áp DC/DC đề xuất Hình 11 Kết mơ dị điểm MPPT với giải thuật P&O GA 800-400-200 W/m2 Trường hợp 3: Các pin có mức xạ 1000-200-300 W/m2 (điểm cực đại toàn cục nằm bên trái Đóng góp tác giả Hình 12 Đặc tuyến P-V hệ thống pin quang điện 1000-200-300 W/m2 Tác giả Nguyễn Đức Minh phụ trách lên ý tưởng đề xuất cấu hình mạch DC-DC tăng áp, làm thực nghiệm Tác giả Đỗ Như Ý phụ trách xây dựng kịch nghiên cứu phối hợp với tác giả Nguyễn Đức Minh để làm thực nghiệm Tác giả Trịnh Trọng Chưởng phụ trách xây dựng thuật tốn, lập trình kiểm tra tính xác nội dung kết báo Hình 13 Kết mơ dò MPPT với giải thuật P&O, GA 1000-200-300 W/m2 Tài liệu tham khảo E Figueres, G Garcerá, J Sandia, F González-Espín, and J C Rubio, (2009) Sensitivity study of the dynamics of three-phase photovoltaic inverters with an LCL grid filter IEEE Trans Ind Electron., vol 56, no 3, pp 706–717 S Deshpande and N R Bhasme, (2018) A review of topologies of inverter for grid connected PV systems 2017 Innov Power Adv Comput Technol i-PACT 2017, vol 2017-Janua, pp 1–6 M Forouzesh, Y P Siwakoti, S A Gorji, F Blaabjerg, and B Lehman, (2017) Step-Up DC-DC converters: A comprehensive review of voltageboosting techniques, topologies, and Hình 12 thể đặc tuyến P-V hệ thống với mức xạ module 1000-200300W/m2 Đặc tuyến có đỉnh cơng suất cực đại đỉnh có cơng suất lớn 63,62W nằm phía bên trái Hình 13 thể điểm công suất mà giải thuật P&O GA dị chạy cấu hình tăng áp đề xuất Qua hình 13 nhận thấy: giải thuật dị điểm có cơng suất cực đại Trong trường hợp điểm xạ nằm phía bên trái, bên cạnh hệ số D lúc khởi động nằm gần điểm nên vơ tình giải thuật P&O dò Nhưng thực tế đa số đỉnh có cơng suất cực đại thường nằm bên phải giữa, nên sử dụng giải thuật P&O để dị điểm cơng suất cực đại hệ 134 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) applications, IEEE Trans Power Electron., vol 32, no 12, pp 9143–9178 M Sahoo and S Kumar K, (2014) High gain step up DC-DC converter for DC micro-grid application 2014 7th Int Conf Inf Autom Sustain "Sharpening Futur with Sustain Technol ICIAfS 2014 S Chen, L Zhou, Q Luo, and B Zhu, (2013) Interleaved non-isolated high step-up DC/DC converter based on the diode–capacitor multiplier IET Power Electron., vol 7, no 2, pp 390–397 P Marabeas, D Coutellier, J Yang, S Choi, and V G Agelidis, (2011) Analysis, design and experimental results of a floating-output interleaved-input boost-derived DC–DC highgain transformer-less converter IET Power Electron., vol 4, no 1, p 168 A Kumar, “Overview of Genetic Algorithm Technique for Maximum Power Point Tracking ( MPPT ) of Solar PV System,” no Cognition, pp 21–24, 2015 P Kumar, G Jain, and D K Palwalia, “Genetic algorithm based maximum power tracking in solar power generation,” Proc 2015 IEEE Int Conf Power Adv Control Eng ICPACE 2015, pp 1–6, 2015 135 ... thấy: mạch đề xuất cải thiện hiệu suất, nâng cao hiệu làm việc nghịch lưu Mạch tăng áp DC/DC đề xuất Hình mơ tả cấu hình mạch tăng áp DC/DC đề xuất, bao gồm nguồn cung cấp DC với điện áp nguồn Pin. ..