Đồ án thiết kế bộ biến đổi dc dc 2 chiều

LỜI NÓI ĐẦU Trong lĩnh vực kỹ thuật đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều khác gọi trình biến đổi DC-DC Một nâng điện áp biến đổi DC-DC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào, thường sử dụng hệ thống lượng tái tạo hệ thống quang điện, hệ thống pin nhiên liệu, để tăng điện áp đầu hệ thống lên mức yêu cầu phù hợp Bộ biến đổi DC-DC hay sử dụng mạch chiều trung gian thiết bị biến đổi điện công suất vừa đặc biệt hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Các biến đổi DC-DC hệ thống lượng lưu trữ giúp cho hệ thống lượng tái taọ khắc phục hạn chế Cấu trúc mạch biến đổi vốn không phức tạp vấn đề điều khiển nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao đảm bảo ổn định mục tiêu cơng trình nghiên cứu Vì em môn giao cho đề tài tốt nghiệp “ Nghiên cứu biến DC-DC bidrectional hệ thống lượng tái tạo” Đồ án gồm có chương : Chương : Tổng quan hệ thống lượng tái tạo Chương : Nghiên cứu biến đổi DC-DC Chương : Tổng hợp điều khiển cho biến đổi DC-DC bidrectional Trong trình nghiên cứu, với giúp đỡ thầy giáo, cô giáo Bộ môn Điện tự động Công nghiệp đặc biệt thầy giáo TH.S PHẠM TUẤN ANH, với nỗ lực thân em hoàn thành đồ án Sinh viên Mai Đình Hiển CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Sơ đồ khối chung trình bày điện tử cơng suất kết hợp với hệ thống DE (distributed energy) trình bày hình 1.1 Các giao diện điện tử công suất cho phép nguồn điện từ hệ thống phân phối lượng biến đổi thành nguồn luợng có yêu cầu điện áp tần số Đối với hệ thống dự trữ , luợng chảy theo hai chiều nguồn dự trữ lưới Hình 1.1 minh họa hệ thống phân phối lượng bao gồm có bốn modul giao diện điện tử cơng suất Nó bao gồm modul biến đổi nguồn đầu vào, modul nghịch lưu, modul đầu modul điều khiển Đường mũi tên chiều thể lượng chảy theo chiều đường mũi tên hai chiều cho thấy lượng chảy theo hai chiều Việc thiết kế modul biến đổi nguồn đầu vào phụ thuộc vào đặc tính nguồn lượng ứng dụng dự trữ lượng Hệ thống phân phối lượng có đầu xoay chiều thường có tần số thay đổi hệ thống lượng sức gió, tuabin, hệ thống dự trữ bánh đà cần thiết phải có biến đổi AC-DC Đối với hệ thống có đầu DC hệ thống quang điện, pin nhiên liệu, ắc quy cần thiết phải có biến đổi DC-DC để chuyển đổi điện áp DC thành điện áp phù hợp Modul nghịch lưu DC-AC modul chung để chuyển đổi điện áp chiều DC thành điện áp AC phù hợp với lưới nguon nang luong modul AC-DC hoac DC-DC modul DC-AC PV, gio, tua bin ,pin nhien lieu he thong du tru ac quy , banh da modul dau luoi PCC tai Modul dieu khien Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống điện tử công suất điển hình 1.2 HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN 1.2.1 khái quát chung Công nghệ quang điện liên quan đến việc chuyển đổi trực tiếp lượng mặt trời thành luợng điên phuơng pháp tế bào luợng mặt trời tế bào luợng mặt trời thường sản xuất thiết bị bán dẫn silicon tinh thể hấp thụ ánh sáng mặt trời tạo điện thơng qua q trình hiệu ứng quang điện hiệu tế bào lượng mặt trời xác định khả chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành lượng điện sử dụng thường khoảng 10-15% Do đó, để sản xuất số lượng đáng kể lượng điện, tế bào lượng mặt trời phải có diện tích bề mặt lớn Các tế bào lượng mặt trời thường sản xuất riêng lẻ kết hợp với thành modul bao gồm từ 36 tới 72 tế bào, tuỳ thuộc vào điện áp dòng điện đầu modul Các modul khác kích thước nhà sản xuất , thường từ 0,5 đến 1m2 tạo khoảng 100W/m2 lượng điều kiện tối đa cho modul với hiệu suất khoảng 10% Ngồi modul đuợc nhóm lại với với khối lượng cấu hình khác (đuợc nói rõ phần sau) để tạo thành mảng có đặc tính dịng điện điện áp đặc trưng Phân biệt modul mảng quan trọng xem xét giao diện điện tử cơng suất Hình 1.2 trình bày PV (Photovoltaic) điển hình cấu thành mảng Đối với hệ thống PV(Photovoltaic) điện áp DC đầu số có độ lớn phụ thuộc vào cấu hình mà tế bào lượng mặt trời/modul kết nối mặt khác , dòng điện đầu hệ thống PV chủ yếu phụ thuộc vào xạ lượng mặt trời sẵn có.u cầu giao diện điện tử công suất việc chuyển đổi điện áp DC tạo thành điện áp AC thích hợp cho hộ tiêu thụ kết nối đa năng.Thông thường độ lớn điện áp DC mảng PV yêu cầu phải tăng lên đến giá trị cao cách sử dụng biến đổi DC-DC trước chuyển đổi thành AC thích hợp nghịch lưu DC-AC lúc sử dụng để chuyển đổi thành điện áp 60Hz AC Quá trình điều khiển điện áp dịng điện đầu mảng phải tối ưu hoá dựa điều kiện thời tiết Các thuật toán điều khiển chuyên mơn hố gọi điểm giám sát cơng suất lớn nhất(MPPT) để liên tục tách số lượng tối đa công suất từ mảng điều kiện khác Quá trình điều khiển MPPT tăng điện áp thường thực biến đổi DC-DC , nghịch lưu DC-AC đuợc sử dụng để điều khiển dịng điện lưới Hình 1.2: Các mảng PV 1.2.2 Cấu hình hệ thống quang điện Các modul PV(Photovoltaic) kết nối với thành mảng để sản xuất số lượng điện lớn.Các mảng sau kết nối với thành phần hệ thống nghịch lưu để biến đổi nguồn DC sản xuất từ mảng thành AC để cung cấp cho hộ tiêu thụ điện năng.các nghịch lưu cho hệ thống PV thực nhiều chức khác , biến đổi nguồn DC tạo thành nguồn AC tương thích với tiện ích Nó bao gồm chức bảo vệ để kiểm tra kết nối lưới nguồn PV cách ly mảng PV có vấn để xảy Biến tần giám sát điều kiện thiết bị đầu cuối modul PV bao gồm MPPT (Maximum power point tracking) để tăng tối đa khả thu lượng MPPT trì hoạt động mảng PV đạt hiệu cao qua loạt điều kiện đầu vào thay đổi tuỳ theo ngày mùa Hệ thống PV cấu trúc thành nhiều cấu hình hoạt động Mỗi cấu hình dựa giao diện điện tử cơng suất mà kết nối với hệ thống lưới điện.Hình 1.3 trình bầy cấu hình biến tần tập trung sử dụng cấu trúc phổ biến sử dụng Các modul PV kết nối nối tiếp song song với kết nối tới biến đổi tập trung DC-AC Ưu điểm thiết kế biến tần phận tốn hệ thống, hệ thống có chi phí thấp có diện cuả biến tần Những bất lợi cấu hình tổn thất cơng suất cao khơng phù hợp modul PV diện diot String (chuỗi) Một bất lợi khác cấu hình có điểm hỏng biến tần , có độ tin cậy thấp Diot String Tam PV Tam PV Tam PV Tam PV Tam PV Tam PV bo bien doi chinh luoi Hình 1.3: cấu hình tập trung PV Hình 1.4 trình bày cấu hình chuỗi mảng hệ thống PV Một loạt PV kết nối theo hình thức chuỗi Thông thường, 15 kết hợp với chuỗi kết nối với thông qua lợi ích với biến tần cho chuỗi Ưu điểm cấu trúc liên kết khơng có tổn thất ghép nối diot chuỗi cơng suất lớn điểm theo dõi áp dụng cho chuỗi Điều đặc biệt hữu ích nhiều chuỗi gắn bề mặt cố định định hướng khác Những bất lợi cấu hình chi phí tăng lên việc bổ sung biến tần Điện áp đầu vào từ chuỗi PV đủ lớn để tránh phải khuếch đại điện áp Nhưng chi phí cho PV vãn đắt , khuếch đại điện áp thêm vào với chuỗi biến tần để giảm modul PV [6] Chuỗi biến tần đa năng, phát triển chuỗi biến tần , có vài chuỗi đưa qua biến đổi DC-DC để tăng điện áp lên sau kết nối với bus DC thơng thường Một biến tần DC-AC thơng thường sau sử dụng để kết nối với lưới Một chuỗi hệ thống PV đa trình bày hình 1.4 Tam PV Tam PV Nghich luu Tam PV ngich luu Luoi Tam PV Tam PV Tam PV (a) Tam PV DC-DC Tam PV Tam PV Tam PV Tam PV Tam PV DC-DC DC-AC Luoi (b) Hình 1.4: Các mảng PV với cấu trúc nhiều chuỗi Hình 1.5 trình bày cấu hình mà modul PV ghép nối với biến tần riêng nó.thiết kế biết đến modul AC, Ưu điểm hệ thống đơn giản để thêm modul modul có biến tần DC-AC riêng kết nối tới lưới thực cách kết nối wirings trường biến tần AC với Ngoài cịn có cải thiện tổng thể độ tin cậy hệ thống khơng có điểm thất bại cho hệ thống Nó có độ linh hoạt cao Tuy nhiên vi dụ cịn tốn so với hệ thống PV thơng thường phải sử dụng nhiều biến tần Các tổn thất điện hệ thống giảm khơng tương thích phần giảm, tổn thất liên tục biến tần giống biến tần chuỗi.Các thiết bị điện tử cơng suất lắp đặt bên ngồi với PV cần phải thiết kế để hoạt động mơi trường ngồi trời Các modul AC lựa chọn đầy hứa hẹn cho tương lai sử dụng cho cá nhân mà không cần am hiểu chuyên ngành Hình 1.5: Cấu trúc modul điện tử cơng suất AC 1.2.3 Cấu trúc điện tử công suất Cấu trúc điện từ cơng suất cho hệ thống PV phân loại dựa số lượng giai đoạn xử lý cơng suất vị trí tụ điện tách điện, máy biến áp sử dụng, loại giao diện mạng lưới [6] a Một pha - tầng Cấu trúc chủ yếu cho biến tần PV pha , mạch hình 1.6 điện áp đầu biến đổi DC từ mảng đưa qua tụ lọc tụ lọc sử dụng để làm giảm dịng sóng hài mảng Đầu tụ kết nối tới biến đổi cầu full bridge đầu biến đổi nối tới cuộn cảm , hạn chế tần số cao đưa vào hệ thống AC tổng điện áp đầu việc điều khiển tương thích cơng tắc có điều khiển nối tiếp điều khiển xung dương xung âm nửa chu kỳ dương âm điện áp hình sin Để cho phép hoạt động đạt số cơng suất cơng tắc phải điều khiển để đáp ứng điện áp đầu đạt yêu cầu Điều khiển vòng lặp sử dụng để đồng hóa điện áp đầu biến tần điện áp lưới Các mảng PV lúc kết nối với lưới thông qua biến áp cách ly Có vài hạn chế cấu trúc , tất modul kết nối với thiết bị MPPT Điều gây tổn thất cơng suất nghiêm trọng Hình 1.6: Cấu trúc pha- tầng b pha nhiều bậc Để tránh cồng kềnh, máy biến ấp tần số thấp coi thành phần thô chủ yếu kích thước hiệu thấp Hệ thống chuyển đổi nhiều bậc sử dụng rộng rãi cho hệ PV Phổ biến cấu trúc bậc bao gồm có biến tần DC-AC điều chế độ rộng xung với vài biến đổi DC-DC kết nối với nhau.Nói chung biến đổi DC-DC thực theo dõi điểm công suất lớn khuếch đại điện áp.Các biến tần DC-AC full bridge điều khiển dòng điện lưới hoạt động PWM Một thiết kế đơn giản cho biến tần nhiều bậc trình bày hình 1.7, sử dụng biến áp tần số cao cho việc kết nối điện áp pha vào lưới.Điện áp DC đầu vào đảo chiều để tạo AC tần số cao bên phần sơ cấp biến áp tần số cao điện áp thứ cấp biến áp chỉnh lưu kết điện áp DC đầu đưa qua biến tần nguồn dòng thyristor dòng đầu yêu cầu phải sin pha với điện áp dây Các dạng sóng điện áp phải tham chiếu với dạng sóng hình sin dịng điện có biên độ xác định theo điều khiển biến tần điều khiển cách sử dụng điều chỉnh dòng điện Tam PV bien ap xung Luoi Tam PV Tam PV Hình 1.7: Cấu trúc pha nhiều tầng c Ba pha Đối với hệ thống 10kw, hầu hết thường sử dụng biến tần pha Nhũng cấu hình mơ tả cho hệ thống pha sử dụng cho hệ thống pha việc cách ly với lưới sử dụng máy biến áp tần số cao (biến áp xung).Trong trường hợp sau cần bổ sung biến đổi DC từ PV thành AC tần số cao Hình 1.8 trình bày cấu trúc hệ thống pha có sử dụng biến áp pha Đầu DC mảng PV kết nối với tụ lọc Đầu tụ lọc đưa tới đầu vào biến tần nguồn áp pha Đầu pha nối với cuộn cảm tụ điện để giảm sóng hài bậc cao trước đưa vào hệ thống AC Tổng điện áp đầu AC tương thích với điều khiển thiết bị chuyển mạch Một biến áp pha sử dụng để kết nối với lưới Các cấu hình khác khơng sử dụng biến áp áp dụng cho hệ thống PV , nhiên cấu trúc thường sử dụng cho quốc gia châu âu nhật việc nối đất cho biến tần không bắt buộc hoa kỳ yêu cầu hệ thống nố đất phải giám sát việc nối đất điện áp vượt 50V 10