Thông tin tài liệu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HỊA LƯỚI 1.5KW CĨ SỬ DỤNG THUẬT TỐN DỊ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI Sinh viên thực hiên Ngày sinh Lớp Khoa Mã sinh viên Giáo viên hướng dẫn : : : : : : Nguyễn Xuân Dương 01/01/1982 DLĐĐT10.12 Điều khiển Tự động hóa PGS TS Nguyễn Quang Hùng Bắc Ninh, Tháng 11 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐƠNG Á Nguyễn Xn Dương TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI 1.5KW CĨ SỬ DỤNG THUẬT TỐN DỊ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI Giáo viên hướng dẫn: PGS TS.Nguyễn Quang Hùng Bắc Ninh, Tháng 11 năm 2021 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Quang Hùng trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm chúng em hồn thành tốt đề tài Do kiến thức hạn chế nên có nhiều thiếu sót, q trình nghiên cứu đề tài Thầy dạy chỗ thiếu sót, chia sẻ kinh nghiệm nhóm gặp vấn đề thực nghiệm Em xin cảm ơn thầy Trong trính nghiên cứu thực đồ án, thời gian trình độ có giới hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, nhóm hy vọng nhận ý kiến đóng góp quý báu từ thầy cô, bạn bè người quan tâm để đề tài hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Nguyễn Xuân Dương v MỤC LỤC Trang bìa .i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình .iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ vii Liệt kê bảng vẽ viii Tóm tắt ix CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DỤNG THỰC HIỆN 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 NGUYÊN TẮC NGHỊCH LƯU MỘT PHA 2.1.1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi 2.1.2 Sơ đồ nửa cầu 2.1.3 Sơ đồ đẩy kéo phận nghịch lưu áp 2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG PWM 2.2.1 Mô tả kĩ thuật PWM 2.3 TẠO XUNG PWM DỰA TRÊN PHẦN MỀM 11 2.4 BIẾN ĐỒI DC-DC TĂNG ÁP 12 2.4.1 Nguyên lý hoạt động 12 2.5 NGUYÊN LÝ ĐỒNG BỘ LƯỚI 14 vi 2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 14 2.6.1 Pin lượng mặt trời 14 2.6.2 Các linh kiện phục vụ nghịch lưu 15 2.6.3 Mạch kích 17 2.6.4 Card DSP 320F28335- Thiết bị xử lý trung tâm 19 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 22 3.1 GIỚI THIỆU 22 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 22 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 22 3.2.2 Tính tốn thiết kế mạch 23 3.3 KẾT NỐI PHẦN CỨNG 41 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 42 4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG 42 4.2 GIÁ ĐỠ PIN MẶT TRỜI 43 4.3 THI CÔNG CÁC KHỐI MẠCH ĐIỆN 43 44 4.3.1 Mạch nguồn ±15VDC 4.3.2 Mạch nguồn 5VDC 45 4.3.3 Mạch kích 46 4.3.4 Mạch đo 48 4.3.5 Mạch boost điện áp từ pin mặt trời 50 4.3.6 Mạch nghịch lưu cầu 52 4.4 LẬP TRÌNH PHẦN MỀM 53 4.4.1 Mạch boost điện áp DC-DC 53 4.4.2 Mạch nghịch lưu cầu 56 4.4.3 Lập trình tạo tín hiệu đồng 60 4.5 KẾT NỐI CÁC KHỐI CHƯƠNG TRÌNH VÀ PHẦN CỨNG 62 4.6 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN 63 4.6.1 Tạo file CCS nạp code cho vi điều khiển 63 4.6.2 Quy trình thao tác chạy hệ thống 65 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Trang Hình 2.1 Sơ đồ ngun lý mạch nửa cầu dùng nguồn đôi Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu Hình 2.3 Sơ đồ đẩy kéo nghịch lưu áp Hình 2.4 Mạch điều chế PWM Hình 2.5 Điện áp điều khiển (Vsin), điện áp sóng mang điện áp tải với cấu hình nghịch lưu nửa cầu 10 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý tạo xung PWM PSIM 11 Hình 2.7 Dạng sóng PWM ngõ 11 Hình 2.8 Mạch tăng áp DC-DC 12 Hình 2.9 Mạch trạng thái Switch S đóng 12 Hình 2.10 Mạch trạng thái Switch S mở 13 Hình 2.11 Mơ hình hịa lưới từ pin mặt trời 14 Hình 2.12 BJT, MOSFET IGBT 15 Hình 2.13 Cấu trúc IGBT 16 Hình 2.14 Hình ảnh thực tế ký hiệu IGBT FGA25N120 17 Hình 2.15 Card DSP TMS320F28335 19 Hình 2.16 Giao diện khởi động Code Composer Studio 19 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Sơ đồ khối hệ thống 23 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu áp cầu pha 24 Sơ đồ khối mạch kích 27 Phần mạch lái cho IGBT nhánh 27 Chiều dòng điện ghép nối quang OK1 dẫn 28 Chiều dòng điện ghép nối quang OK2 dẫn 29 Sơ đồ nguyên lí mạch DeadTime 30 Sơ đồ nguyên lí mạch kích 31 Sơ đồ nguyên lý nguồn 5VDC 32 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ± 15VDC 33 Mạch DC-DC tăng áp 34 Mạch hoạt động Switch mở 34 Mạch hoạt động Switch đóng 35 Mạch lọc LC 36 Giá trị THD ngõ nghịch lưu 37 Dạng sóng điện áp hồi tiếp mong muốn 37 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp pin mặt trời 38 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp điện áp DC-DC 39 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến điện áp lưới T1,T2 40 vii Hình 3.20 Sơ đồ phần cứng hệ thống 41 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Hình 4.14 Hình 4.15 Hình 4.16 Hình 4.17 Hình 4.18 Hình 4.19 Hình 4.20 Hình 4.21 Hình 4.22 Hình 4.23 Hình 4.24 Pin mặt trời cung cấp nguồn cho thực nghiệm 43 Hình mạch nguồn ±15VDC thực tế 45 Hình mạch nguồn 5VDC 46 Mạch kích 47 Mạch hồi tiếp áp pin mặt trời 48 Mạch hồi tiếp điện áp DC-DC boost 49 Mạch hồi tiếp áp từ máy biến áp AC 50 Kết nối linh kiện mạch boost DC-DC 51 Mạch nghịch lưu cầu 52 Sơ đồ nguyên lí mạch boost DC-DC 53 Lưu đồ giải thuật mạch boost DC-DC tự ổn định áp 54 Kết mô mạch boost DC-DC 55 Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu cầu 56 Thông số cài đặt cho PWM nghịch lưu 56 Kết nối PWM, mạch kích cực cổng IGBT (a), sóng mang (b) 57 Dạng sóng Vsin dạng sóng điện áp Ut 57 Lưu đồ giải thuật nghịch lưu 59 Mô mạch nghịch lưu cầu 59 Dạng xung PWM điện áp nghịch lưu mô 60 Lưu đồ điều khiển đồng 61 Sơ đồ ngun lí mơ đồng 62 Sơ đồ nguyên lý mô hệ thống 62 Phần cứng toàn hệ thống 62 Sơ đồ thực chạy hệ thống 65 DANH MỤC BẢNG Bảng Trang Bảng Bảng trạng thái nghịch lưu nửa cầu Bảng 2 Bảng trạng thái nghịch lưu cầu Bảng Bảng thông số pin mặt trời sử dụng 17 Bảng Một số thông số FGA25N120ANTD 20 Bảng Thông số IGBT FGA25N120 26 Bảng Khảo sát tổng dòng điện tiêu thụ nguồn 5V 32 Bảng 4.1: Linh kiện sử dụng cho mạch nguồn ±15VDC 44 Bảng 4.2: Linh kiện sử dụng cho mạch nguồn 5VDC 45 Bảng 4.3: Linh kiện sử dụng mạch kích 46 Bảng 4.4: Linh kiện sử dụng mạch hồi tiếp pin mặt trời 48 Bảng 4.5: Linh kiện sử dụng mạch hồi tiếp điện áp DC-DC boost 48 Bảng 4.6: Linh kiện sử dụng mạch hồi tiếp áp từ máy biến áp AC 49 Bảng 4.7: Linh kiện sử dụng cho mạch boost DC-DC 50 viii TĨM TẮT Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đề tài nghịch lưu hòa lưới lượng mặt trời, với việc nắm bắt xu việc tái tạo lượng nhóm thực đề tài nhằm mục đích thực nghiệm lý thuyết học Đề tài “Nghiên cứu nghịch lưu hịa lưới điện mặt trời cơng suất nhỏ 500W” tìm hiểu chuyên sâu nghịch lưu pha PWM, biến đổi điện áp chiều giải thuật ổn định điện áp Với ý tưởng thêm biến đổi điện áp chiều (DC-DC) để tăng điện áp đưa vào nghịch lưu, nhằm tránh việc mắc nối tiếp nhiều pin đồng thời tăng cơng suất hệ thống, yếu tố tài điều kiện thi công chưa cho phép, nên đề tài dừng lại việc sử dụng pin lượng mặt trời (công suất lý tưởng 50W/tấm) để làm thí nghiệm cho hệ thống Để minh chứng cho giải thuật ổn định điện áp ngõ mạch tăng áp DC-DC, chúng em điều chỉnh cường độ ánh sáng giảm dần đạt mức điện áp ổn định Điện áp ngõ đảm bảo tính ổn định tần số 50 Hz điện áp 220V xoay chiều, với cường độ ánh sáng giảm phạm vi cho phép 30% Hơn nữa, chất lượng điện áp ngõ đảm bảo dạng sin chuẩn với THD nhỏ 8% phù hợp với yêu cầu đồng lưới Nhà nước ix CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 4.3.6 Mạch nghịch lưu cầu Khối nghịch lưu bao gồm IGBT, vận hành với tải IGBT nóng, đo đó, việc tản nhiệt quan trọng đến hiệu suất làm việc IGBT Lựa chọn đế tản nhiệt có kích thước 10x10x3 quạt DC 12V để làm mát Hình ảnh thực tế mạch nghịch lưu cầu ( T2,T1,T3 T4) Hình 4.9 Mạch nghịch lưu cầu Ngồi ra, tránh việc dẫn diện từ vỏ bọc tăng hiệu suất tản nhiệt, ta nên sử dụng keo tản nhiệt, loại keo màu trắng đục, lót lớp vải IGBT đế tản nhiệt cho tốt Mạch nghịch lưu cầu nhận tín hiệu điều khiển đóng ngắt từ mạch kích, điện áp DC sau boost cho điện áp ngõ dạng hình chữ nhật với bán kì có IGBT dẫn 52 CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG 4.4 LẬP TRÌNH PHẦN MỀM 4.4.1 Mạch boost điện áp DC-DC a Giải thuật điều khiển Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lí mạch boost DC-DC Theo trình bày chương 3, điện áp từ pin mặt trời đưa vào mạch tăng áp để tăng điện áp lên giá trị mong muốn, giá trị điện áp pin mặt trời giá trị thay đổi liên tục nên ta phải hồi tiếp điện áp pin mặt trời hồi tiếp điện áp ngõ mạch DC-DC vi xử lí để điều khiển xung kích cho IGBT đóng ngắt xác để tạo giá trị điện áp mong muốn 180VDC 53 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG b Lưu đồ điều khiển Bắt đầu Khai báo biến Vtaido, Vpindo Nhập giá trị Vtairef=180 Đọc giá trị số điều chế Đọc giá trị điện áp hồi tiếp SAI ĐÚNG Vtaido = 180VDC Dừng tăng số điều chế SAI ĐÚNG Giữ giá trị số điều chế Vtaido < 180VDC ĐÚNG Tăng số điều chế đọc điện áp Pin Vpindo < 36,88 SAI Giảm số điều chế Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật mạch boost DC-DC tự ổn định áp Vì giá trị điện áp pin thay đổi liên tục không cố định nên giá trị số điều chế điều khiển IGBT thay đổi liên tục theo nên việc xử lí vịng lặp khơng có kết thúc 54 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG c Lập trình mơ Sau chạy mơ phần mềm PSIM ta có kết hình Hình 4.12 Kết mơ mạch boost DC-DC Với việc cài đặt giá trị điện áp ngõ Vtaido 180VDC ta thực đọc điều chỉnh số điều chế để điều khiển xung PWM đóng ngắt IGBT (mạch DCDC) dựa điện áp ngõ hồi tiếp so sánh với điện áp ta mong muốn cài đặt trước để có giá trị điện áp 180VDC 55 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 4.4.2 MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU a Giải thuật điều khiển Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu cầu Cấu hình nghịch lưu lựa chọn cấu hình nghịch lưu cầu hình (4.13) Với trạng thái kích IGBT hình cơng thức viết lại: Trong PWM2 PWM3 ngõ mạch điều chế PWM riêng biệt có tần số 5kHz với sóng mang tam giác biên độ đỉnh-đỉnh 1V điện áp offset 0V hình (4.14) Hình 4.14 Thơng số cài đặt cho PWM nghịch lưu 56 CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG Hình 4.15 Kết nối bộ PWM, mạch kích cực cổng các IGBT (a), sóng mang (b) Kết từ (4.3) có dạng sóng điện áp U t theo điện áp điều khiển Vsin hàm điều hịa (4.4) trình bày hình 4.16 Hình 4.16 Dạng sóng Vsin dạng sóng điện áp Ut Như vậy, điện áp Ut có tần số góc pha điện áp điều khiển V sin biến thiên tuần hồn Phân tích Fourier điện áp Ut có thành phần hài xác định theo (4.5) 57 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG Trong VCESAT điện áp rơi IGBT dẫn, ΔU sụt áp đường dây nối từ pin đến mạch nghịch lưu m số điều chế có giá trị xác định theo Với V biên độ đỉnh sóng điều khiền V sin, VPP,tri biên độ đỉnh-đỉnh sóng mang tam giác (có giá trị 1) Kết hợp với điện áp DC U=180V, VCESAT=3V xác định giá trị hiệu dụng thành phần bậc điện áp từ mạch nghịch lưu (khi pin làm việc định mức) (4.7) Giá tri hiệu dụng tỉ lệ thuận với biên độ đỉnh điện áp điều khiển V sin tỉ lệ thuận với sức điện động sinh từ mạch tăng áp DC-DC Do điện áp đưa từ mạch DC-DC ổn định biên độ thành phần bậc ổn định Giá trị tần số f góc pha ban đầu φo xác định để đồng với tần số góc pha ban đầu lưới điện (qua đoạn chương trình thực đồng bộ) 58 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG b Lưu đồ điều khiển Bắt đầu Khai báo biến Đọc tín hiệu sóng Sin từ khối đồng Đọc số điều chế m Tính điện áp điều khiển nhánh trái Tính điện áp điều khiển nhánh phải Đưa tín hiệu điều khiển vào PWM Kết thúc Hình 4.17 Lưu đồ giải thuật nghịch lưu c Lập trình mơ Hình 4.18 Mơ mạch nghịch lưu cầu 59 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG Sau mô phần mềm PSIM ta có kết Hình 4.19 Dạng xung PWM điện áp nghịch lưu mơ 4.4.3 LẬP TRÌNH TẠO TÍN HIỆU ĐỒNG BỘ a Giải thuật điều khiển Như trình bày tính tốn chương 2, để đồng lưới cần phải có điều kiện tiên mức điện áp với điện áp lưới, góc lệch pha, tần số Nguyên tắc: đo (lấy mẫu) điện áp lưới liên tiếp xác định tần số, thời điểm bắt đầu chu kỳ sóng sin Đo giá trị ¾ chu kỳ xác định giá trị đỉnh sóng sin (do xác định giá trị hiệu dụng ) 60 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG b Lưu đồ điều khiển Bắt đầu Khai báo biến Lấy mẫu ngõ vào A2 Tính tần số Xác định giá trị đếm cực đại Xác định tỉ số góc SAIĐầu chu kì tín hiệu sóng Sin ĐÚNG Giá trị đếm = SAI Tăng giá trị đếm ĐÚNG Giá trị đếm N cuối = cực đại SAI Sin ( đếm * tỉ số góc) ≠ ĐÚNG Tính biên độ đỉnh Hình 4.20 Lưu đồ điều khiển đồng bợ 61 CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG c Lập trình mơ Hình 4.21: Sơ đồ ngun lí mô đồng bộ 4.5 KẾT NỐI TỔNG THỂ CÁC KHỐI CHƯƠNG TRÌNH VÀ PHẦN CỨNG Hình 4.22 Sơ đồ ngun lý mơ hệ thống Hình 4.23 Phần cứng tồn bợ hệ thống 62 CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG 4.6 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN 4.6.1 Tạo file CCS nạp code cho vi điều khiển Sau mơ tồn hệ thống phần mềm PSIM, ta bắt đầu tiến hành biên dịch file code để chuyển qua phần mềm Code Composer Studio Bước : Vào Simulate chọn Generate Code Bước : Ghi nhớ đường dẫn file code 63 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG Bước 3: Mở phần mềm Code Composer Studio chọn Project sau chọn Import Legacy CCSv3.3 Project Bước 4: Tìm đến đường link chứa file biên dịch code từ PSIM bước chọn mục có “.c” bên trái giao diện Bước 5: Sau thực bước ta hình bắt đầu build code nạp chương trình vào card DSP TMS320F28335 64 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 4.6.2 Quy trình thao tác chạy hệ thống Để chạy hệ thống ta cần thực thao tác theo lưu đồ sau: Bắt đầu Kiểm tra dây điện kết nối khối Bật nguồn cung cấp điện áp cho khối cần Biên dịch chương trình nạp code vào vi điều khiển Dùng máy sóng đo điện áp đầu vào, xung kích điều khiển khối Bật CB cho hệ thống chạy Dùng máy sóng đo điện áp, xung kích, sóng ngõ Xem xét, so sánh kết đo với kết phần mềm mô Tắt CB nguồn cung cấp cho khối Kết Thúc Hình 4.24 Sơ đồ thực chạy hệ thống 65
Ngày đăng: 20/07/2023, 06:40
Xem thêm:
