Bộ nghịch lưu nối lưới cho pin mặt trời
Chức năng: Bộ biến tần biến đổi điện một chiều DC thành điện xoay chiều AC Ứng dụng:
Bộ biến tần là thiết bị quan trọng trong việc chuyển đổi điện DC thành AC, giúp hòa lưới điện, truyền tải điện, và điều khiển động cơ xoay chiều Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong gia nhiệt cảm ứng và cung cấp điện cho các máy móc thiết bị tiêu thụ điện xoay chiều có công suất lớn.
1.2 Các yêu cầu kĩ thuật và tiêu chí đánh giá
- Độ méo dạng sóng hài THD: 6.5% (Điều 7 Thông tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 của Bộ Công Thương)
- Dòng rò không quá 300 mA ( IEC 60439-1)
MỘT SỐ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI KẾT NỐI LƯỚI
PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ KẾT NỐI LƯỚI
Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống nguồn Pin mặt trời được sử dụng là bộ Boost Converter, với bộ điều khiển nhận tín hiệu điện áp từ dàn Pin mặt trời (Upv) và xuất ra điện áp Udc cho bộ nghịch lưu DC/AC Quá trình chuyển đổi điện áp này được hỗ trợ bởi thuật toán MPPT, cụ thể là thuật toán bám công suất cực đại P&O (Perturb and Observer) Phương pháp này đơn giản và phổ biến nhờ vào tính dễ thực hiện, cho phép xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất thông qua việc theo dõi sự biến thiên của điện áp Khi điện áp thay đổi, nếu công suất tăng, thuật toán sẽ tiếp tục điều chỉnh theo hướng tăng; ngược lại, nếu công suất giảm, nó sẽ thay đổi hướng điều chỉnh Khi đạt được điểm công suất tối đa, điện áp sẽ dao động xung quanh điểm MPPT.
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
- Nếu ∆P ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref.
- Nếu ∆P ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref.
Cập nhật giá trị mới cho V và P, sau đó tiến hành đo các thông số I và V cho chu kỳ làm việc tiếp theo Hệ thống điều khiển bộ DC/DC được thể hiện trong hình 4.
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển Boost Converter tích hợp MPPT
3.2 Bộ biến đổi DC/AC
Sơ đồ mạch điện được thiết kế với cấu trúc liên kết dựa trên cầu đầy đủ, cho phép cường độ dòng điện cao ở điện áp thấp Cấu trúc này bao gồm nguồn điện áp một chiều, bốn khóa chuyển mạch IGBT, bộ lọc LC và tải Bộ lọc LC giúp triệt tiêu các thành phần sóng hài, tạo ra tín hiệu ra bộ nghịch lưu gần như hình sin Trong mạch, mỗi bóng bán dẫn được điều khiển riêng, và bộ ghép quang HCPL3120 được sử dụng để cách ly chân đế của chuyển đổi, tránh đoản mạch, đồng thời xử lý tín hiệu điều khiển ở tần số kHz và dễ dàng giao tiếp với IC vi điều khiển hoặc IC PWM tương đương.
Hình 7: Bộ nghịch lưu DC/AC
Vi điều khiển được sử dụng để điều khiển mạch điện thông qua tín hiệu PWM, mang lại tính linh hoạt trong việc thay đổi thuật toán điều khiển thời gian thực mà không cần thay đổi phần cứng Với chi phí thấp nhưng vẫn đủ khả năng điều khiển bộ DC/AC, vi điều khiển trở thành lựa chọn ưu việt Nhóm tác giả đã quyết định sử dụng vi điều khiển PIC18F4431 và phát triển chương trình bằng mã lắp ráp trong môi trường MATLAB.
Hình 8: Hai tín hiệu Udk và Umang
Trong phương pháp tạo tín hiệu PWM, hai tín hiệu chính được so sánh là tín hiệu tham chiếu hình sin có biên độ Ar tại tần số fr và sóng mang tam giác Ac tại tần số fc Từ sự so sánh này, hai tham số quan trọng được xác định.
∙ Tỷ lệ giữa Ar và Ac, được gọi là hệ số điều chỉnh (r), phương trình (1) cho phép kiểm soát điện áp đầu ra: r= Ar/Ac
Chỉ số điều chế (m) là tỷ lệ giữa tần số sóng mang (fc) và tần số tham chiếu (fr), được xác định bởi phương trình m = fc/fr Chỉ số này giúp tính toán tần số lấy mẫu cho các tín hiệu lệnh.
Các xung điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh hai tín hiệu, với độ rộng xung thay đổi theo tỷ lệ với biên độ của sóng hình sin Tần số của tín hiệu tham chiếu xác định tần số đầu ra của bộ biến đổi, trong khi biên độ đỉnh tham chiếu điều khiển chỉ số điều chế và biên độ điện áp đầu ra Phân tích bộ biến đổi DC/AC cầu H, như thể hiện trong hình 2, xem xét hoạt động của công tắc điều khiển PWM lưỡng cực, cho phép điện áp đầu ra xen kẽ giữa +Vdc và -Vdc dựa trên các giả định và quy ước nhất định.
∙ Q1 và Q4 được mở khi cho Ar > Ac và VAB = +Vdc;
∙ Q2 và Q3 được mở khi cho Ar < Ac và VAB = -Vdc.
Hình 9: Nghịch lưu AC/DC trên simulink
Giá trị hiệu dụng (RMS) của điện áp đầu bằng:
Trong đó: p = 𝑚 2 = 2𝑓 𝑓 𝑐 là số xung trong nửa chu kỳ với 0 ≤ m ≤ 1 với 0 ≤ δπ/p Do đó,
V AB = V dc δ𝑝 (4) π Điện áp đầu ra tức thời có thể được biểu thị trong chuỗi Fourier:
Theo phương trình 5, do sự đối xứng dạng sóng theo thời gian, cả a0 và an đều bằng 0.
Do đó b n thu được là:
Với giá trị của b n từ phương trình (6), phương trình (5) có thể được viết lại với dạng:
Do đó, dòng điện tức thời thông qua tải điện trở được cho bởi:
Khi tải có tính chất điện cảm R-L, dòng điện tải iL sẽ lệch pha so với điện áp Trong tình huống này, các diode sẽ trích xuất năng lượng tích lũy từ tải trong các khoảng thời gian mà dòng điện tải ngược chiều với điện áp Do đó, với tải R-L, dòng tải ra iL được diễn tả như sau:
(9) Để xác định chất lượng tín hiệu đầu ra, chúng tôi đã tính tổng độ méo sóng hài (THD) của tín hiệu:
V i : Giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp bậc i và N là bậc cao nhất của sóng hài cần đánh giá;
V 1 : Giá trị hiệu dụng của của điện áp tại bậc cơ bản (tần số 50Hz).
TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT
Tính toán mạch công suất
Chọn pin mặt trời 6 tấm nối tiếp, 3 nhánh, loại Pin SunPower SPR-305E-WHT-D với công suất 5,5KW là lựa chọn lý tưởng cho hệ thống điện mặt trời nối lưới 1 pha, phù hợp cho hộ dân dụng có nhu cầu từ 3-5KW Nhiệt độ cố định được duy trì ở 25 o C, trong khi bức xạ thay đổi theo hàm Repeating Sequence Stair Điện áp phát ra từ hệ thống khoảng 307V, dưới 400V (điện áp cần thiết để hòa vào lưới), do đó cần sử dụng mạch Boost để tăng áp.
Hình 10: Chọn pin mặt trời
Bộ biến đổi DC-DC kiểu tăng áp ( Boost Converter)
Tần số đóng ngắt cũng là tần số sóng mang (tam giác) chọn >= tần số đóng ngắt chọn 2 kHz
Hình 11: Bộ tăng áp DC/DC
Input: Vin = 305VDC Output: Vout = 400VDC
Dòng điện định mức của linh kiện Diode: I D = K P/3Up = 2 5500/3.307 = 11,94 A
Trong đó K là hệ số an toàn chọn lựa linh kiện Điện áp định mức của khóa bán dẫn S1: V D = V S = K Up = 2 307 = 614V Dòng điện định mức của khóa bán dẫn S1: I D = I S = 11,94 A
- Tính toán chọn giá trị cho cuộn cảm L:
The input voltage value of the Boost converter is Uin, while the output voltage value is Uout, which corresponds to the input voltage of the inverter.
Tỉ số điều chế của bộ tăng áp: 1 - Uin/Uout = 1- 307/400 = 0,2325
- Tính toán chọn giá trị cho tụ điện C:
Giá trị tụ điện C đảm bảo cho độ gợn sóng điện áp trên tụ không quá 5% là:
Bộ nghịch lưu : Dùng bộ nghịch lưu cầu H 1 pha:
Bộ nghịch lưu áp 3 pha gồm 6 khóa bán dẫn tích hợp IGBT/Diode
Dòng điện định mức của linh kiện Diode: I D = K P/3Up = 2 5500/3.307 = 11,94 A
Trong đó K là hệ số an toàn chọn lựa linh kiện Điện áp định mức của khóa bán dẫn S1: V D = V S = K Up = 2 307 = 614VDòng điện định mức của khóa bán dẫn S1: I D = I S = 11,94 A
Tính toán mạch lọc
Theo Kirchoff, mô hình của bộ lọc được viết trong mặt phằng phức:
Hệ thống có công suất 5.5KW với điện áp dây của lưới En là 311V Điện áp DC trên tụ liên lạc đạt 400V, trong khi tần số điện áp lưới là 50Hz và tần số switching là 3kHz Giá trị cơ bản của hệ thống được tính toán với zb = (𝐸𝑛 2 )/𝑃𝑛 = 17,58.
MÔ HÌNH, MÔ PHỎNG
Mô hình tổng quan trên Simulink:
Hình 15: Chọn và chỉnh định PV array
Lấy khối PV array trong thư viện, chọn pin mặt trời 6 tấm nối tiếp, 3 nhánh, chọn loại Pin SunPower SPR-305E-WHT-D
Hình 16: Chỉnh định thông số của Pin
Tăng áp DC ( DC boost): Gồm có cuộn cảm L, khóa bán dẫn S, Diode và tụ C
Hình 17: Chỉnh định thông số mạch tăng áp DC/DC
Để đảm bảo dòng điện ngõ ra của bộ DC-DC Boost ổn định, giá trị điện cảm tối thiểu của L được tính toán là 0.5e-3 H.
Dựa trên điều kiện tính toán, giá trị của tụ C được xác định để đảm bảo gợn sóng ngõ ra của bộ DC-DC Boost không vượt quá 5% Theo tính toán, giá trị tối đa của C là 0,2325, do đó, tụ C được chọn có giá trị là 500.10^(-6).
Hình 18: Chỉnh định thông số tụ C
Hình 20: Chỉnh định mạch lọc LCL
The P&O function for controlling DC voltage is defined as Do = P_O(DP, DV, Incr, Dold) When DP is greater than 0, if DV is also greater than 0, the new output Do is calculated as Dold minus Incr; otherwise, it is Dold plus Incr Conversely, if DP is not greater than 0 and DV is greater than 0, Do is again calculated as Dold plus Incr; if DV is not greater than 0, it becomes Dold minus Incr.
Hình 25: Mô tả điều khiển điện áp DC Điều khiển cộng hưởng tỷ lệ PR:
Hình 26: Mô hình điều khiển PR
Hình 27: Tính toán dòng đặt
(Công thức tính dòng đặt Iref) Điều khiển tạo xung cho mạch nghịch lưu cầu H:
Hình 28: Điều khiển tạo xung cho mạch nghịch lưu