JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 083-088 Nghiên cứu thiết kế tăng áp DC-DC ứng dụng cho hệ thống pin lượng mặt trời Design of DC/DC Boost Converter for Photovoltaic Systems Applications Lê Thị Minh Châu1, Trần Anh Tuấn2, Trịnh Tuấn Anh3, Lê Đức Tùng1, Dương Minh Quân2* Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, Việt Nam Cao đẳng Công nghiệp Hưng Yên, Hưng Yên, Việt Nam * Email: dmquan@dut.udn.vn Tóm tắt Hiện nay, hệ thống pin lượng mặt trời ngày phổ biến ưu điểm so với nguồn lượng hoá thạch truyền thống Tuy nhiên, nguồn lượng bị ảnh hưởng biến đổi ngẫu nhiên xạ, thông số nhiệt độ mơi trường, v.v Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất hệ thống vấn đề nhà khoa học quan tâm đầu tư nghiên cứu Trong báo này, tác giả tập trung nghiên cứu, thiết kế tăng áp DC/DC có tích hợp thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại MPPT sử dụng phương pháp lai Phương pháp tìm điểm công suất cực đại phát triển dựa nhiều thuật toán đại Thiết bị thiết kế phân tích, đánh giá cho kết khả quan với hiệu suất cao Từ khóa: Hệ thống pin lượng mặt trời, tăng áp DC/DC, thuật toán MPPT Abstract Renewable energy sources are growing rapidly and becoming an essential part of the national electricity system The photovoltaic (PV) system is considered an appropriate option due to its advantages over traditional fossil energy sources However, this energy source is affected by the stochastic variation of irradiance parameters and environment temperature, etc Therefore, improving the efficiency of this PV system is always an interesting topic to scientists and many researches This paper focuses on studying and designing DC/DC boost converter with integrated the Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm using a hybrid method The method of finding the maximum power point is developed based on many modern algorithms Design equipment is analyzed, evaluated and gave positive results with high performance Keywords: Photovoltaic System, boost Converter, MPPT 1Tổng quan pin quang điện có thay đổi đột ngột giá trị đầu vào [3] Để nâng cao hiệu suất làm việc pin lượng đầu ra, thuật tốn xác định điểm cơng suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracker) nghiên cứu phát triển Ngày nay, lượng tái tạo dần trở thành giải pháp thiết thực để đáp ứng vấn nạn môi trường cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch Trong đó, lượng gió lượng mặt trời loại hình trọng nghiên cứu nhiều thời gian qua ngày áp dụng rộng rãi Các loại hình lượng vừa đáp ứng nhu cầu điện năng, vừa giảm thiểu các động tiêu cực đến môi trường Tuy nhiên, ảnh hưởng yếu tố tự nhiên: vận tốc gió, tượng che khuất mặt trời… gây nhiều tác động xấu đến nguồn lượng tái tạo đặc biệt với nguồn lượng mặt trời [1-2] Sự thay đổi bất thường nhiệt độ xạ nhiệt ngày làm cho lượng đầu pin quang điện biến động Hiện nay, hai phương pháp MPPT sử dụng phổ biến thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observe) thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) Tuy nhiên hai phương pháp tồn nhiều nhược điểm: khả đáp ứng chậm, gây thất thoát phần lượng [4-7] Trong nội dung báo, tác giả nghiên cứu đề xuất quy trình thiết kế biến đổi điện áp DC/DC boost converter có tích hợp thuật tốn lai MPPT Thiết bị cho phép nâng cao hiệu suất hệ thống pin quang điện, khắc phục số nhược điểm cịn tồn thuật tốn trước Phần báo giới thiệu DC/DC boost converter thuật toán lai MPPT Nguyên lý thiết kế Các chuyển đổi DC/DC kết hợp phương pháp điều khiển phát triển nghiên cứu để đáp ứng yêu cầu đầu hệ thống ISSN: 2734-9381 https://doi.org/10.51316/jst.151.etsd.2021.31.3.15 Received: August 14, 2020; accepted: September 03, 2020 83 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 083-088 mạch DC/DC boost converter trình bày phần Phần trình bày thiết kế thiết bị thực tế đánh giá hiệu hoạt động (Perturb and Observe), thuật toán Hill Climbing sử dụng thịnh hành [4-6] Phương pháp P&O dựa việc theo dõi biến thiên điện áp theo chu kỳ để tìm điểm làm việc có cơng suất lớn Hình mơ tả ngun lý hoạt động thuật toán P&O Bộ tăng áp DC/DC sử dụng thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại MPPT sử dụng phương pháp lai Hình trình bày sơ đồ khối mô tả chuyển đổi tăng áp DC/DC Boost converter tích hợp thuật tốn MPPT, đó: - Khối PV: Các pin lượng mặt trời - Khối DC/DC: Bộ chuyển đổi điện áp chiều DC/DC - Khối DC Load: Tải dùng điện áp chiều - Khối MosFet Driver: mạch đệm công suất để đóng cắt MosFet - Khối Micro Controler STM32F103: vi điều khiển STM32F103 chứa chương trình điều khiển thuật tốn MPPT Có nhiệm vụ thu thập giá trị điện áp dòng điện pin Vpv, Ipv; điện áp dòng điện ngõ biến đổi Vout, Iout STM32F103 lập trình với thuật toán MPPT sử dụng chức điều chế độ rộng xung (PWM) gửi đến khối MosFet Driver để điều khiển đóng cắt mosfet Hình Sơ đồ khối chuyển đổi DC/DC tích hợp thuật tốn MPPT L Vin D + C S - + - 2.1 Bộ tăng áp DC-DC Boost Converter Mạch tăng áp sử dụng phổ biến với khả điều chỉnh điện áp đầu lớn điện áp đầu vào (Vo>Vin) Nguồn áp chiều mắc nối tiếp với cuộn cảm có vai trị nguồn dịng Một khóa chuyển mạch mắc song song đóng mở theo chu kỳ tụ điện dùng để lọc điện áp đầu Hình Vout LOAD Hình Sơ đồ nguyên lý mạch DC/DC tăng áp Boost P[w] MPP Pmpp Mạch tăng áp làm việc luân phiên trạng thái khóa S đóng khóa S mở Dựa vào nguyên lý hoạt động dạng sóng điện áp dịng điện ta thiết lập mối liên hệ điện áp đầu vào điện áp đầu sau: V (1) Vout = in 1− D Vmpp V[V] a Đặc tính P-V đó: MPP - Vout điện áp đầu ra, (V) 1/Rmpp Impp Tăng D - Vin điện áp đầu vào, (V) 1/Rtd - D độ rộng xung điều khiển 2.2 Thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai Giảm D Vmpp Thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại MPPT phương pháp dị tìm họ điểm làm việc tối ưu hệ thống PV theo điều kiện môi trường khác Ngày nay, để nâng cao công suất thu từ PV hay tăng hiệu suất chuyển đổi lượng, phương pháp MPPT áp dụng thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O Rtd=Rt(1-D)2 b Đặc tính I-V Hình Ngun lý tìm điểm làm việc công suất lớn P&O 84 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 083-088 - Nếu điểm hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔV>0 ΔP>0) theo hướng (ΔV=0) tiếp tục tăng D Đo I(k-1), V(k-1) P(k-1)=I(k-1)*V(k-1) Đo I(k), V(k) DI = I(k)-I(k-1) DV = V(k)-V(k-1) DP = DV *DI DD =D(k)-D(k-1) - Nếu công suất giảm (∆P0) giảm D - Nếu công suất giảm (∆P0 Đ Đ (2) L: Giá trị điện cảm cuộn cảm, H Đ DV>0 Cuộn cảm L Boost Converter xác định theo công thức sau [8]: - DP>0 S Nguyên lý thiết kế mạch tăng áp DC/DC Boost Converter Vout * ∆I L * f DP=0 S Thuật toán MPPT lai đề xuất báo thuật toán kết hợp thuật toán P&O thuật toán leo đồi Hill Climbing Để áp dụng thuật toán Hill Climbing vào kết hợp với thuật toán P&O truyền thống, ta xét thêm tham số thuật toán điều khiển độ gia tăng độ rộng xung điều khiển dD/dt Khi dD/dt>0 (trường hợp độ rộng xung điều khiển D tăng lên) dP/dt>0 (công suất thu từ hệ thống PV tăng lên) ta tiếp tục tăng độ rộng xung điều khiển để giảm điện áp pin quang điện Ta áp dụng trường hợp xạ tăng nhiệt độ pin giảm Các trường hợp làm việc xạ nhiệt độ thay đổi thuật toán P&O đảm nhiệm Vin * (Vout − Vin ) (3) Start - Nếu công suất tăng (∆P>0) độ rộng xung điều khiển giảm (∆D 85 D * I out f * ∆Vo (4) JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 083-088 Hệ số điện cảm mạch từ quấn lõi vòng dây: AL = 1100nH/N2 Số vòng dây cuộn cảm xác định sau: ∆Vo : Độ gợn (độ nhấp nhô) điện áp ngõ ra, thường lấy ΔV0 = 0,5%*Vout; D độ rộng xung (duty cycle) Mosfet Ví dụ áp dụng thực tế = N Chúng ta xem xét thiết kế chuyển đổi DC/DC Boost Converter thực tế Giả thiết hệ thống thiết kế với công suất 1600W Các thông số DC/DC sau: Điện áp vào Vin = 200 VDC; dòng điện vào Iin = A; điện áp Vout = 400 VDC; dòng điện Iout = A; công suất cực đại Pmax = 1600 W; tần số đóng cắt f = 40 kHz L IL 1,56 mH 8,8 A D × I out 0,5 × C >= = 25 ( μF ) f × ∆Vo 40000 × 0, 005 × 400 Ta chọn: C = 47 (μF) 4.2 Thiết kế mạch điện tử công suất chọn thiết bị điện tử Từ giá trị L dòng điện qua cuộn cảm IL, ta thiết kế cuộn cảm Đầu tiên, tiết diện dây quấn cuộn cảm xác định công thức: = F tt I L 8,8 = = 2,5(mm ) jkt 3,5 Dịng qua khố S diode với dòng điện cực đại qua cuộn cảm L Do đó: IS = IĐ = IL = 8,8 (A) (5) Điện áp làm việc MosFet diode lớn điện áp US = UĐ >= 400V đó: jkt (A/mm2) mật độ dịng điện kinh tế dây quấn vật liệu đồng Chúng ta chọn kiểu dây quấn kép, sợi có đường kính 1,4mm2 có lớp emay cách điện Kiểm tra tiết diện dây quấn sau chọn cho thấy thoả mãn yêu cầu: πd = Fdq n= 3, 07(mm ) > Ftt (7) Áp dụng công thức (4), giá trị tụ điện C xác định sau: Dựa cơng thức (3), (4), xác định giá trị bảng sau: 𝛥𝛥𝐼𝐼𝐿𝐿 1,56x10−4 = 37, 1100x10−9 Ta chọn số vòng dây quấn 38 vòng Vậy, cuộn cảm sử dụng lõi Ferrite EE55, dây quấn kép, sợi có đường kính 1,4mm, vật liệu dây quấn đồng có phủ lớp cách điện emay Số vòng dây quấn 38 vòng 4.1 Xác định giá trị L, C thiết kế mạch từ 1,6 A L = AL Chọn van bán dẫn loại MOSFET IRFP460 loại N có thơng số bảng chọn diode loại MUR30600PT với thông số bảng Bảng Các thông số MOSFET IRFP460 (6) Với tần số làm việc 40kHz, tổn thất lõi Ferrite 0,1 W/cm3, giá trị từ cảm cực đại mạch từ Bm = 190 (mT) Chúng ta chọn lõi ferrite EE55 (gồm lõi chữ E ghép lại), tích Ve = 43,7 cm3 tiết diện lõi Ae = 3,54 cm2 VDS RDSON (V) (Ω) 500 0,27 Hình Sơ đồ thiết kế chuyển đổi DC/DC 86 Qg(max) 210nC Imax (A) (T=100oC) 13 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 083-088 Bảng Các thông số Diode MUR3060PT VRRM (V) Imax (A) Tmax (oC) VF (V) 600 30 175 1,2 Công suất đầu vào chuyển đổi: Pin = PQS1 + PQS2 (hay Pin = P1+P2) Công suất đầu chuyển đổi: Pout = PQS3 Hiệu suất chuyển đổi:= η 4.2.1 Thiết kế mơ hình mạch chuyển đổi DC/DC Hai điện trở Shunt R57 R58 có giá trị 0,1ohm dùng mạch để phản hồi tín hiệu dịng điện (Hình 5) Khi có dịng điện I chạy qua trở shunt tạo điện áp rơi Tín hiệu điện áp đưa để đo lường đại lượng dịng điện mạch Pout × 100 ( % ) Pin Với mơ hình mạch thực lắp đặt, thiết bị đo lường “LabVolt” có sai số phạm vi ± 1% Do đó, số liệu thu trình đo lường thực tế Bảng có đủ sở đảm bảo độ tin cậy xác Mạch DC/DC thiết kế có hiệu suất cao (gần 97%) hoạt động tốt 4.2.2 Thiết kế mạch Mosfet Driver Điện áp làm việc cực cổng (Gate) mosfet nằm phạm vi 10-20V Trong điện áp vi điều khiển 3,3V nên ta cần phải có IC đệm để tạo điện áp điều khiển cho chân cực cổng mosfet phù hợp Ở ta chọn IC IR2110 có thơng số sau: - Điện áp ngõ điều khiển cực cổng: 10-20V - Dịng điện đóng/cắt cực đại: 2A/2A - Thời gian trễ sườn lên/sườn xuống xung điều khiển: 120ns/94ns - Điện áp ngõ vào logic điều khiển: 3.3V Mạch cấp nguồn cho vi điều khiển (+5V) cấp nguồn +12VDC để điều khiển đóng cắt Mosfet Mạch sử dụng IC ổn áp 7805 7812 để cấp nguồn ổn định Hình Sơ đồ mạch Mosfet Driver Hình Kết đo lường thực tế Bảng Kết tính tốn hiệu suất chuyển đổi Lần P1(W) P2(W) đo Hình Mơ hình mạch thực tế (Kích thước mạch in 125 mm x 158 mm) Thiết bị thiết kế thực tế mạch cuối giới thiệu Hình Pin(W) Pout(W) η(%) 104,7 105,53 210,23 203,66 96,87 208,86 209,01 417,87 405,16 96,96 310,45 311,3 621,75 602,94 96,97 412,22 413,34 825,56 799,94 96,90 466,01 466,68 932,69 904,48 96,98 Kết chạy mạch thật: 4.3 Kiểm tra hiệu suất mạch thiết kế Công suất hệ pin mặt trời: Ppeak = 1650W Từ mơ hình mạch lắp đặt thực tế, trình đo lường thu thập liệu tiến hành, kết thể qua Hình Thời gian lấy số liệu: 9:12:47 đến 10:50:05 ngày 10/6/2020 đó: 87 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 083-088 Tài liệu tham khảo Output Power of PV 1500 Power (W) 1000 [1] Jason Svarc, Most Efficient Solar Panels 2020, Clean Energy Reviews, https://cleanenergyreviews.info [2] N T N Tran, M.Q Duong, H T Yang, Integrated Transient Stability Analysis with Multi-Large-Scale Solar Photovoltaic in Distribution network, Journal of Science and Technology, Vol 147(C), 2020, pp 4045 [3] M Q Duong, H Tran, and C A Hossain, Influence of elemental parameter in the boost and the buck converter, in 2017 IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference IEEE, 2017, pp 528–531 [4] D P Hohm, M E Ropp, Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms Using an Experimental, Programmable, Maximum Power Point Tracking Test Bed, Electrical Engineering Department South Dakota State University Brookings, SD 570072220 [5] Minh Quan Duong, Gabriela Nicoleta Sava, Mircea Scripcariu, Marco Mussetta, Design and simulation of PI-type control for the Buck Boost converter, in 2017 International Conference on ENERGY and ENVIRONMENT (CIEM) IEEE, 2017, pp 79-82 [6] Aleksandar Prodic, Dragan Maksimovic and Robert W Erickson, Design and Implementation of a Digital PWM Controller for a High-Frequency Switching DCDC Power Converter, IECON'01 IEEE, 2002, pp 893-898 [7] A S Ahmed, B A Abdullah, and W G A Abdelaal, Mppt algorithms: Performance and evaluation, in 2016 11th ICCES IEEE, 2016, pp 461–467 https://doi.org/10.1109/ICCES.2016.7822048 [8] Brigitte Hauke, Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage, Application Report, Texax Instruments, SLVA372C - January 2014 500 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Time (ms) 10 Output Voltage of PV Voltage (V) 200 100 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Time (ms) 10 Output Current of PV 15 Current (A) 10 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Time (ms) Duty Cycle (%) 10 Duty Cycle of Converter 100 50 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Time (ms) 10 Hình Các giá trị đo lường thực tế mơ hình Kết luận Trong nội dung báo, phương pháp xác định điểm MPPT dựa thuật toán P&O thuật toán leo đồi Hill Climbing trình bày Bài báo giới thiệu chi tiết nguyên lý phương thức thiết kế mạch DC/DC boost converter tích hợp thuật tốn MPPT Từ kết đo đạc thực tế, hiệu suất khả làm việc mạch thiết kế kiểm chứng Các nghiên cứu tương thích điện từ mạch DC/DC thiết kế mạch DC/AC tiếp tục triển khai thời gian tới Lời cảm ơn Tác giả cảm ơn trường Đại học Bách khoa Hà Nội cấp kinh phí cho nghiên cứu này, đề tài T2018-PC061 88 ... chuyển đổi tăng áp DC/ DC Boost converter tích hợp thuật tốn MPPT, đó: - Khối PV: Các pin lượng mặt trời - Khối DC/ DC: Bộ chuyển đổi điện áp chiều DC/ DC - Khối DC Load: Tải dùng điện áp chiều -... Ví dụ áp dụng thực tế = N Chúng ta xem xét thiết kế chuyển đổi DC/ DC Boost Converter thực tế Giả thiết hệ thống thiết kế với công suất 1600W Các thông số DC/ DC sau: Điện áp vào Vin = 200 VDC; dòng... đổi DC/ DC tích hợp thuật toán MPPT L Vin D + C S - + - 2.1 Bộ tăng áp DC- DC Boost Converter Mạch tăng áp sử dụng phổ biến với khả điều chỉnh điện áp đầu lớn điện áp đầu vào (Vo>Vin) Nguồn áp chiều