Đối với cấu hình AC-Coupled như trên hình 1.6, một bus AC chung được sử dụng trong gia đình để trao đổi các nguồn năng lượng: lưới điện, năng lượng của tấm pin mặt trời và pin thông qua
GIỚI THIỆU BỘ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG
Giới thiệu hệ thống AC Battery ứng dụng trong bộ tích trữ năng lượng
Bộ tích trữ năng lượng trong gia đình, còn được gọi là home battery, có nhiệm vụ điều tiết công suất cho các hộ gia đình có xét đến phụ tải xe điện và góp phần nâng cao chất lượng điện năng
Hình 1.1 Sơ đồ phụ tải của hộ gia đình
Vấn đề bù công suất đỉnh tiêu thụ theo nhu cầu sinh hoạt của các hộ gia đình đang trở nên phổ biến ở nhiều khu vực Mô tả một cách đơn giản, trong ngày sẽ có 2 thời điểm mà nhu cầu sử dụng điện tăng cao vào khoảng 6 giờ sáng và 6 giờ tối Thông số thống kê cho thấy ở khu vực biển Bắc, máy biến áp phân phối sẽ quá tải tại cao điểm tối nếu 20% hộ gia đình sạc xe vào thời điểm này Nếu không có sự phối hợp sạc điện, điện áp sụt dưới ngưỡng cho phép tại thời điểm 6h tối với 30% hộ gia đình sạc xe với công suất 3kW hoặc chỉ 10% hộ gia đình sạc ở công suất 7kW Trong khi đó, năng lượng mặt trời lại tập trung chủ yếu vào thời điểm buổi trưa, khi tải tiêu thụ nhỏ Lúc này các bộ tích trữ năng lượng trong gia đình trở nên cần thiết, được sử dụng như một nguồn linh hoạt với khả năng tích trữ năng lượng tái tạo để bù đảm bảo công suất đỉnh tại những lúc cao điểm Đối với tình hình trong nước, theo thống kê tới tháng 5/2023, do vấn đề môi trường, EVN thông báo thiếu hụt công suất điện lên tới 1600MW – 1900MW Đồng thời, với 4000 trụ sạc của Vinfast hiện nay, phụ tải xe điện được coi là đáng kể với công suất ước tính từ 400MW đến 1000MW Các bộ tích trữ năng lượng trong gia đình trở nên cần thiết, được sử dụng như một nguồn linh hoạt với khả năng tích trữ năng lượng tái tạo để bù đảm bảo công suất đỉnh tại những lúc cao điểm
Hiện nay, có 2 cấu hình phổ biến cho cấu trúc bộ tích trữ năng lượng trong gia đình (home battery) là cấu hình DC-Coupled và AC-Coupled
Hình 1.2 Cấu hình DC-Coupled Đối với cấu hình DC-Coupled như trên hình 1.5, pin đóng vai trò là nguồn năng lượng DC trung gian, được sạc trực tiếp từ pin mặt trời và cung cấp năng lượng cho các tải gia đình thông qua một bộ nghịch lưu
Hình 1.3 Cấu hình AC-Coupled Đối với cấu hình AC-Coupled như trên hình 1.6, một bus AC chung được sử dụng trong gia đình để trao đổi các nguồn năng lượng: lưới điện, năng lượng của tấm pin mặt trời và pin thông qua các bộ nghịch lưu Ở đây, đồ án tập trung vào cấu trúc AC-Coupled vì các ưu điểm của cấu hình này so với cấu hình DC-Coupled khả năng linh hoạt kết nối với hệ thống PV Solar đã có sẵn trong các hộ gia đình, dễ dàng mở rộng các module, khả năng cách ly pin trong trường hợp sự cố, hiệu suất cao hơn khi cấp năng lượng trong ngày ở dải công suất cao (từ 6kW trở lên)
Hình 1.4 Cấu hình AC Battery Để tối ưu thiết kế cấu hình AC- Coupled, hãng Telsa đã đưa ra giải pháp AC Battery, một sản phẩm tích hợp pin và tầng biến đổi điện tử công suất như hình 1.7, với đầu ra của bộ AC Battery sẽ kết nối trực tiếp bus AC của hộ gia đình Như vậy, hệ thống AC Battery cho hộ gia đình sẽ giống như 1 micro-grid, tích hợp các nguồn năng lượng bao gồm: lưới điện hạ thế (1 pha hoặc 3 pha), các nguồn năng lượng phân tán (năng lượng tái tạo, bộ AC Battery, pin trên xe điện) và tải tiêu thụ trong gia đình Để đảm bảo khả năng kết nối linh hoạt ở cả 2 phía: phía pin DC và đầu ra AC, cấu trúc 2 tầng biến đổi (2-stage) điện tử công suất được lựa chọn (cấu trúc Single-state hiệu suất cao hơn nhưng có thể không linh hoạt bằng) Điều này cũng dẫn đến, vấn đề thứ tư là tuổi thọ thiết bị Các sản phẩm AC Battery thường có thời gian sử dụng lên đến 10 năm, điều này có thể bị giới hạn khi sử dụng các tụ hoá cho bus DC giữa 2 tầng biến đổi trong các cấu trúc thông thường Để loại bỏ hệ thống tụ hóa này đồng thời tăng mật độ công suất, cấu trúc điều khiển phù hợp với đặc tính pin và hoạt động của hệ thống cần được áp dụng
Với 4 yêu cầu trên, cấu trúc 2 tầng bộ biến đổi điện tử công suất đề xuất cho bộ AC Battery được thể hiện như sau:
Hình 1.5 Cấu hình AC Battery
G2AB: Grid To AC Battery
AB2L: ACBattery To Load Cấu trúc Three-port converter được sử dụng ở tầng DC/DC để kết nối với các chuẩn pin khác nhau
Cấu trúc Four-leg converter được sử dụng ở tầng DC/AC để kết nối với cả lưới điện 1 pha và 3 pha
Cấu trúc Interleaved Full Bridge được sử dụng cho ứng dụng 1 pha công suất lớn (11kW) để giảm đập mạch dòng điện và cải thiện chất lượng dòng điện đầu ra Đồng thời ở phía DC/DC, các bộ VF/CFDAB được mắc song song và phát xung interleaved
Công nghệ sạc dòng hình sin được áp dụng cho hệ thống 1 pha, từ đó loại bỏ hệ thống tụ hóa ở bus DC, chỉ giữ lại tụ film để hạn chế các peak điện áp khi chuyển mạch.
Cấu trúc Four-leg Converter
Cấu trúc Four-leg Converter gồm cấu trúc Interleaved Full Bridge và cấu trúc ba pha bốn dây được thể hiện như hình 1.15 và hình 1.16 dưới đây
Hình 1.6 Cấu trúc Interleaved Full Bridge
Hình 1.7 Cấu trúc ba pha bốn dây
Trong đồ án này, tập trung vào bộ biến đổi Four-leg Converter trong ứng dụng AC Battery 1 pha (bộ biến đổi Interleaved Full Bridge).
Cấu trúc bộ biến đổi Interleaved Full Bridge
Bộ Interleaved Full Bridge (hình 1.17) có một số lợi thế đáng kể so với cấu hình H-Bridge như:
- Giảm đập mạch dòng điện nhờ phát xung hai cầu lệch nhau 180°
- Ngoài ra, cấu trúc này linh hoạt trong việc điều chỉnh, có thể hoạt động cả với lưới một pha hoặc ba pha, phù hợp cho nhiều ứng dụng pin ở trong các khu vực khác nhau
Hình 1.8 Bộ biến đổi Interleaved Full Bridge
Yêu cầu thiết kế
Vì pin vòng đời thứ hai dùng trong bộ lưu trữ cũng là pin đã được sử dụng trên xe điện nên công suất thiết kế tối thiểu phải tương đương với các bộ biến đổi trên xe điện
Do đó thông số thiết kế được chọn cho cấu trúc Interleaved Full Bridge được thể hiện qua bảng 1.2
Thông số thiết kế Giá trị
Công suất 6600W Điện áp DC 650V Điện áp AC 310V
Tần số phát xung 50kHz
Tần số cơ bản 47 - 63Hz
Bảng 1.1 Thông số thiết kế bộ biến đổi ba pha bốn dây
Vì bộ biến đổi được nối với lưới điện, do đó cũng cần phải quan tâm đến tiêu chuẩn nối lưới Các tiêu chuẩn được chọn khi thiết kế là IEEE1547 và EN 50160, trong đó:
IEEE1547: Tiêu chuẩn về sóng hài dòng điện đi lên lưới không được vượt quá 5%
EN 50160: Tiêu chuẩn về chất lượng điện áp lưới: THD điện áp lưới lớn nhất cho phép là 8%
Vì bộ biến đổi chạy với chế độ độc lập, do đó cũng cần quan tâm đến tiêu chuẩn độc lập Tiêu chuẩn được chọn khi thiết kế là EN 62040-3: Tiêu chuẩn về chất lượng điện áp AC lớn nhất cho phép là 3% đối với tải tuyến tính, và 5% đối với tải phi tuyến.
Mô hình hóa bộ biến đổi Interleaved Full Bridge và thiết kế các mạch vòng điều khiển
Cấu trúc điều khiển
Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển bộ Interleaved Full Bridge
Hình trên thể hiện cấu trúc điều khiển của bộ Interleaved Full Bridge (IFB)
Khác với cấu trúc H-Bridge thông thường, IFB sử dụng mạch lực gồm hai cầu H
Mỗi cầu sử dụng luật phát xung lưỡng cực ( bipolar PWM ) nhưng điểm đặc trưng là sóng mang mỗi cầu được phát lệch nhau 180 độ ( Interleaved Bipolar PWM )
Luật phát xung này giảm đập mạch dòng điện và đưa ra hệ số THD cao hơn so với luật phát xung bipolar PWM thông thường
Hệ điều khiển sử dụng cấu trúc tiếp khiển tầng gồm hai vòng điều khiển là điều khiển dòng điện ở trong và điều khiển điện áp DC bên ngoài Đầu ra của vòng điều khiển điện áp trở thành tham chiếu đầu vào của vòng điều khiển dòng điện
Vòng điều khiển dòng điện có tác dụng loại bỏ các nhiễu quá trình tác động lên dòng điện cũng như nâng cao chất lượng điện áp đầu ra, vòng điều khiển điện áp có tác dụng giữ cho giá trị điện áp đầu ra ổn định tại giá trị đặt Ngoài ra mạch vòng khóa pha PLL có nhiệm vụ bảo đảm dòng điện đồng pha với điện áp lưới.
Mô hình hóa bộ điều khiển và xác định các hàm truyền đối tượng
Để đơn giản hóa, ta coi cấu trúc IFB tương đương với cấu trúc cầu H và thực hiện mô hình hóa trên cấu trúc cầu H
Hình 2.2 Cấu trúc cầu H một pha
2.2.1 Mô hình hóa và thiết kế mạch vòng dòng điện
Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện thay thế cho mạch vòng dòng điện
Từ hình 3.3 ta viết được phương trình:
Từ (2.1) rút ra hàm truyền:
Hàm truyền đối tượng là khâu quán tính bậc một nên ta sử dụng bộ điều khiển PI, bộ PI có hàm truyền như sau:
Sử dụng phương pháp triệt tiêu điểm cực, ta chọn i
= T (2.6) với T qd chọn bằng một phần năm tần số lưới
2.2.2 Mô hình hóa và thiết kế mạch vòng điện áp
Mạch vòng điện áp có nhiệm vụ điều khiển điện áp trên tụ DC có giá trị đúng với giá trị đặt Đầu ra của vòng điều khiển điện áp trở thành giá trị dòng điện tham chiếu cho mạch vòng điều khiển dòng điện, vì vậy ta cần xác định mối quan hệ giữa giá trị điện áp DC và dòng điện đặt vào bộ điều khiển dòng điện sau khi bỏ qua tổn thất bộ biến đổi nghịch lưu nguồn áp và tải mắc ở phía mạch DC Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho hai phía xoay chiều và một chiều, ta viết được phương trình sau:
Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc:
C c C g g g g dc dc dc g g g g load c c load
Loại bỏ các tín hiệu nhỏ bậc 2, coi công suất trên tải là nhiễu quá trình, ta rút ra được hàm truyền điện áp:
Hàm truyền đối tượng là khâu tích phân bậc một, vì vậy sử dụng bộ điều chỉnh PI có cấu trúc điều khiển như hình dưới đây:
Hình 2.4 Mạch vòng điều khiển điện áp
Hàm truyền kín của mạch vòng điện áp trên tụ có dạng khâu dao động bậc 2, thì ta thiết kế theo hàm chuẩn bậc 2:
Trong đó: 𝜉 là hệ số dao động tắt dần damping ; 𝜔 𝑛 là tần số dao động riêng Với 𝜉 = 1
Từ đó ta xác định đc các hệ số của bộ điều khiển điện áp theo công thức sau:
Bộ lọc Notch, còn được gọi là bộ lọc băng thông, là một loại thiết bị điện tử hoặc mạch dùng để từ chối hoặc chặn việc truyền tải các tín hiệu ở một dải tần số cụ thể, trong khi vẫn cho phép các tín hiệu có tần số ngoài dải tần số đó truyền qua Để đảm bảo chất lượng điện áp DC, ta cần loại bỏ dao động ở tần số bậc hai gây ra do sự chênh lệch công suất phía lưới Vì vậy cần phải sử dụng bộ lọc Notch, bộ lọc này cho phép tất cả các tần số đi qua, trừ dải tần số hẹp xung quanh tần số cắt Ta có thể thiết kế bộ lọc Notch trên miền liên tục với hàm truyền như sau:
Trong đó f c là tần số cắt Với hệ thống 1 pha, công suất truyền tải dao động với tần số gấp đôi tần số cơ bản của điện áp lưới Do đó, f c được chọn là 100Hz
Hình 2.5 Đồ thị Bode của mạch lọc Notch Filter
2.2.4 Vòng khóa pha Phase-Locked Loop (PLL) Đối với các thiết bị điện tử công suất nối lưới, việc xác định góc pha của lưới điện là rất quan trọng để điều khiển dòng năng lượng giữa hệ thống và lưới điện Khi điện áp lưới ở trạng thái lý tưởng, với biên độ và tần số không đổi, việc xác định góc đồng bộ khá đơn giản Tuy nhiên, trong thực tế, khi các điều kiện này không được đảm bảo, cần có một thuật toán xác định chính xác góc pha điện áp lưới Thuật toán vòng khóa pha (PLL) đã được phát triển để giải quyết vấn đề này cho các bộ biến đổi một pha nối lưới
Hình 2.6 Cấu trúc vòng khóa pha
Cấu trúc trên có đầu vào từ điện áp lưới được đo về, đầu ra là góc pha của điện áp lưới được tính toán Đầu tiên điện áp lưới được đi qua một khối tạo điện áp ảo en chậm pha hơn điện áp lưới 90° nhằm thực hiên biến đổi Park, chuyển hệ trục tọa độ dq Sau đó điện áp trên trục q được điều khiển sao cho eq = 0, khi đó vector điện áp lưới sẽ nằm trên trục d Khi tốc độ quay của hệ bám sát theo tốc độ quay của điện áp lưới, ta có thể xác định được tần số của điện áp lưới qua một bộ điều chỉnh PI và từ đó có thể tìm được góc pha của điện áp lưới
Cấu trúc tạo điện áp 𝛽 ảo được sử dụng phổ biến là sử dụng bộ lọc bậc 2 để lọc ra tần số yêu cầu và lấy tích phân điện áp sau lọc để tạo ra điện áp en ảo trễ pha 90 độ so với điện áp 𝛼 Cấu trúc cụ thể thực hiện thuận toán này được chỉ như sau:
Hình 2.7 Thuật toán tạo điện áp ảo Hàm truyền của 𝑒 𝑛𝛼 và 𝑒 𝑛𝛽 với điện áp đo từ lưới điện được viết như sau:
Hình 2.8 Mạch vòng điều khiển góc pha điện áp lưới
Giả định hệ thống hoạt động ở trạng thái có sai lệch rất nhỏ so với tín hiệu thực của điện áp lưới, tuyến tính hóa hàm truyền vòng kín, ta có: cos( ) sin( ) ( ) gd n n gq n n n e u U U u U U U
Hình 2.9 Đơn giản hóa mạch vòng điều khiển góc pha điện áp lưới
Từ hình trên, tính được hàm truyền kín của mạch vòng điều chỉnh góc pha theta:
Sử dụng phương pháp so sánh với hàm truyền chuẩn của dao động bậc hai tắt dần, ta chọn được các tham số của bộ PI như sau:
Trong đó 𝜉 là hệ số tắt dần (thông thường chọn 𝜉= 0.71), 𝜔 𝑛 là tần số dao dộng riêng.
Cấu trúc điều khiển và mô phỏng hệ thống AC Battery chế độ sạc
Cấu trúc điều khiển
Cấu trúc sạc AC Battery gồm hai tầng AC/DC sử dụng cấu hình Interleaved Full Bridge và tầng DC/DC sử dụng cấu hình Current-fed Dual Active Bridge ( CFDAB)
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống AC Battery chế độ sạc
Tầng biến đổi chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều và điều khiển điện áp trên tụ DC tại giá trị đặt Đề thực hiện mục tiêu này, mạch sử dụng cấu trúc điều khiển nối tầng gồm hai vòng điều khiển Vòng điều khiển điện áp có nhiệm vụ giữ ổn định giá trị điện áp trên tụ DC ở giá trị đặt, đồng thời đầu ra của vòng điều khiển điện áp là giá trị tham chiếu của vòng điều khiển dòng điện Vòng điều khiển dòng điện có khả năng đẩy nhanh tốc độ điện áp trên tụ DC đạt được giá trị đặt, cũng như loại bỏ các nhiễu quá trình và tăng chất lượng điện áp DC Vòng khóa pha lấy thông tin về góc pha và tần số của điện áp lưới, có nhiệm vụ đảm bảo dòng điện và điện áp lưới luôn cùng pha Mạch Interleaved Full Bridge sử dụng luật phát xung Interleaved với sóng mang mỗi cầu lệch pha nhau 180°, điều này triệt tiêu được đập mạch dòng điện và cải thiện đáng kể chất lượng điện năng cũng như giảm sóng hài của dòng điện lên lưới
Is Voltage controller Current controller
Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển IFB
Cấu trúc điều khiển chung
Vg PLL Ɵ Ở phía DC/DC, mạch sử dụng luật phát xung Plus Dual Phase-shift (DPDPS), hệ số điều chế D được đưa vào cặp van phía dưới cầu H phía sơ cấp, cặp van phía trên cầu H phía sơ cấp được đưa vào hệ số điều chế 1-D Các van ở phía thứ cấp của máy biến áp được điều khiển bằng giá trị góc dịch pha Đầu ra của vòng điều khiển dòng điện vào pin là giá trị góc dịch pha Dòng điện vào pin, ở đây sử dụng dòng điện hình sin được điều khiển bám vào giá trị đặt bằng một bộ PI thông qua giá trị Điện áp trên tụ clamp được điều khiển bằng một bộ Lead-Lag, đưa ra hệ số điều chế D điều khiển các Q1 và Q2
Hình 0.2 Sơ đồ phát xung điều khiển quá trình nạp battery
Vòng điều khiển dao động điện áp DC được so sánh với giá trị 0 nhằm triệt tiêu dao động công suất trên tụ DC, từ đó có thể giảm đáng kể điện dung của tụ DC, nhằm phục vụ những mục tiêu sẽ được trình bày tại mục 3.2 Đầu ra của vòng điều khiển này được bù thẳng vào giá trị tham chiếu của vòng điều khiển dòng điện Ibat, hiệu chỉnh các van phía thứ cấp máy biến áp mạch CFDAB nhằm giữ ổn định giá trị điện áp trên tụ DC.
Phương pháp sạc dòng hình sin
3.2.1 Vấn đề về tụ DC
Trong hệ thống AC Battery một pha, tụ điện DC bus là một thành phần rất quan trọng, có nhiệm vụ đệm công suất chênh lệch giữa hai phía xoay chiều và một chiều Để đảm bảo dao động điện áp trên tụ đủ nhỏ nhằm gia tăng chất lượng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu cũng như để tăng hiệu suất của cả bộ biến đổi, tụ DC phải có một giá trị điện dung nhất định Tuy nhiên giá trị điện dung càng lớn thì kích cỡ của tụ càng lớn gây cồng kềnh, giảm mật độ công suất của bộ biến đổi
Không những thế tụ hóa còn là một linh kiện kém tin cậy, có tuổi thọ ngắn hơn so với phần còn lại của bộ biến đổi và là nguyên nhân chính gây ra hỏng hóc của hệ thống AC Battery
Tụ film có thể giải quyết được vấn đề về kích cỡ cũng như tuổi thọ của bộ biến đổi Tụ phim là một linh kiện có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, có sức chịu đập mạch dòng điện lớn gấp 200 so với tụ hóa Không những thế tuổi thọ trung bình của tụ film khoảng 100000 giờ, tương đương với các van bán dẫn, vì vậy mà có thể kéo dài tuổi thọ của toàn hệ thống Tuy nhiên với giá trị điện dung nhỏ, tụ film không đạt được những yêu cầu về giá trị dao động điện áp cũng như rất khó để điều khiển hệ thống đi vào hoạt động ổn định ở các mức công suất lớn Để giải quyết vấn đề này, phương pháp sạc dòng hình sin được sử dụng nhằm hạn chế công suất chênh lệch hai phía, từ đó giảm công suất đệm trên tụ DC và giảm đáng kể đập mạch điện áp trên tụ
Hình 3.3 Vị trí tụ DC trong hệ thống AC Battery một pha
3.2.2 Phương pháp sạc dòng hinh sin
Khác với phương pháp sạc dòng một chiều truyền thống hay phương pháp sạc CC-CV, phương pháp sạc dòng hình sin sử dụng lượng đặt điều khiển dòng điện vào pin là một sóng hình sin với tần số gấp hai lần tần số lưới, điều này có thể triệt tiêu được dao động công suất với tần số bậc hai Việc sử dụng dòng hình sin khiến các phần tử cảm kháng, dung kháng trong mạch CFDAB sẽ có thêm một phần công suất hao tổn Tuy nhiên ở tần số rất nhỏ so với tần số chuyển mạch, những hao tổn này là không đáng kể và có thể bỏ qua Các nghiên cứu tham khảo () cũng chỉ ra rằng tác động của dòng điện hình sin đối với mức tăng nhiệt độ, tuổi thọ của pin nhỏ và có thể bỏ qua
Hình 3.4 Công suất trong sạc thường và sạc hình sine Để xác định lượng đặt dòng điện hình sin, ta cân bằng công suất từ lưới và công suất sạc trực tiếp vào pin Với công suất lưới:
Với V g và I g là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía lưới
Công suất sạc vào pin :
Cân bằng công suất hai phía, rút ra dòng điện sạc vào pin:
3.2.3 Phương pháp sạc dòng hình sin với vòng điều khiển dao động điện áp
Công thức 3.3 có thể coi là điều kiện cân bằng công suất hai phía lý tưởng, tuy nhiên trong thực tế, các phần tử thụ động cũng như van bán dẫn đều có công suất hao tổn, cũng như đệ lệch pha giữ dòng điện và điện áp lưới đều gây ra sự mất cân bằng công suất Với tụ DC nhỏ, lượng công suất đệm này gây ra dao động điện áp lớn gây ra mất điều khiển Để giải quyết vấn đề này, một cấu trúc điều khiển dao động điện áp DC được sử dụng như hình dưới đây:
Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển dao động điện áp
Vòng điều khiển được thiết kế trên hệ tọa độ dq, dao động điện áp trên tụ DC sau khi đi qua bộ điều chỉnh PI trở thành thành phần bù lượng đặt dòng điện cho vòng điều khiển dòng điện vào pin.
Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng chế độ sạc pin để kiếm chứng cho những thuật toán nêu ở phần 3.2, quá trình mô phỏng sử dụng phần mềm Plexim với các thông số mô phỏng như sau
Thông số Ký hiệu Giá trị
Công suất bộ biến đổi P 6,6kW Điện áp bus DC V 650V
Tần số chuyển mạch fsw 50kHz
Tụ một chiều Cdc 70𝜇𝐹 Điện cảm phía nghịch lưu Li 330𝜇H Điện áp lưới Vac 220V
Bảng 3.1 Thông số bộ biến đổi IFB chế độ sạc
Kịch bản mô phỏng sử dụng giá trị tụ DC nhỏ ( 70𝜇𝐹 ) ở mức công suất 6600 W Phía DC/DC sử dụng hai bộ biến đổi CFDAB mắc song song và hoạt động ở chế độ Buck Mức công suất của mỗi bộ biến đổi là 3300W
Thông số Ký hiệu Giá trị
Công suất bộ biến đổi P 3,3kW Điện áp bus DC V 650V
Tần số chuyển mạch fsw 100kHz Điện cảm phía DC Ldc 140𝜇H
Tỷ số biến áp n 400/650 Điện cảm rò Lr 15𝜇H Điện áp đầu vào (battery) Vbat 96-110V
Bảng 3.2 Thông số bộ biến đổi CFDAB chế độ sạc
3.2.2 Kết quả mô phỏng sạc hình sin không có vòng điều khiển điển dao động điện áp
Hệ thống được mô phỏng với kịch bản như sau
2 0.11 – 0.4 s Điều khiển chỉnh lưu 3 pha Vdc = 650V
3 0.4 – end Điều khiển dòng sạc pin lên 30 A
Bảng 3.3 Kịch bản mô phỏng chế độ sạc
Hình 3.6 Kết quả mô phỏng AC Battery chế độ sạc
Hình 3.7 Dòng điện phía lưới
Hình 3.8 Dạng dòng điện lên lưới
Do dao động lớn trên tụ DC nên dạng dòng điện bị méo, dẫn đến hệ số méo tổng sóng hài ( THD ) cao và giảm chất lượng cũng như hiệu suất của hệ thống
Hình 3.9 THD của dòng điện lên lưới
Tiếp theo là kết quả mô phỏng dạng điện áp trên tụ DC
Hình 3.10 Kết quả mô phỏng điện áp trên tụ DC
Hình 3.11 Quá độ điện áp khi bắt đầu chỉnh lưu và khi bắt đầu sạc với công suất 6,6kW
Hình 3.12 Đập mạch điện áp trên tụ DC
Tại thời điểm bắt đầu chỉnh lưu, giá trị điện áp DC quá độ trong khoảng thời gian 0,1s trước khi đi vào ổn định với độ quá điều chỉnh nhỏ ( 4,1% ) Tại thời điểm 0,4 s điện áp trên tụ bị sụt một lượng đáng kể do có công suất 6,6kW đẩy vào pin Do vẫn còn công suất chênh lệch giữa hai phía và giá trị điện dung của tụ DC nhỏ nên tồn tại dao động điện áp lớn, điều này không có lợi cho chất lượng dòng điện lên lưới cũng như với hiệu suất toàn hệ thống Nhìn chung, ngoài mức dao động điện áp lớn đã được dự báo trước, hệ thống đã thỏa mãn các yêu cầu điều khiển đặt ra
Ngoài ra ta cũng quan tâm tới dạng dòng điện sạc vào pin
Hình 3.13 Dòng điện sạc vào pin
Dòng điện sạc vào pin có dạng hình sin với tần số 100 Hz dao động với biên độ 26A, tuy nhiên nếu so với lượng đặt dòng điện ở công thức (3.3) thì tồn tại sai lệch lớn:
3.2.3 Kết quả mô phỏng sạc hình sin sử dụng vòng điều khiển điển dao động điện áp
Với kịch bản mô phỏng giống với phần 3.2.2, các kết quả sẽ được so sánh để chỉ ra tác động của vòng điều khiển dao động điện áp đối với hệ thống AC Battery Ngoài ra trong chế độ này bộ lọc Notch ở khâu phản hồi điện áp cũng được loại bỏ, lý do vì bộ lọc này sẽ chặn hết các tín hiệu ở 100Hz về bộ điều chỉnh, khiến bộ điều chỉnh không thể loại bỏ được các dao động ở tần số này Trong khi mục tiêu trong phần này là loại bỏ các dao động bậc hai trên điện áp tụ
Hình 3.14 Tổng quan kết quả mô phỏng chế độ sạc hình sin với vòng điều khiển dao động điện áp
Trước khi xét chi tiết từng kết quả mô phỏng khác nhau, nhìn tổng quát thì hệ thống đã có thể hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu điều khiển
Hình 3.15 Dòng điện phía lưới
Có thể thấy dạng dòng điện trong chế độ mô phỏng này đã đẹp hơn dạng dòng điện khi không sử dụng vòng điều chỉnh điện áp rất nhiều, điều đó được thể hiện rõ ràng qua chỉ số THD
Hình 3.16 THD dòng điện lên lưới
Có thể thấy, so với THD của chế độ mô phỏng không dùng vòng điều khiển dao động điện áp là 19,08 %, THD dòng điện trong chế độ này đã giảm rõ rệt khi chỉ còn 3,38% Tiếp theo ta xét đến điện áp trên tụ DC:
Hình 3.17 Điện áp trên tụ DC
So với mức dao động điện áp đỉnh-đỉnh 185V khi không sử dụng vòng điều khiển dao động điện áp, độ đập mạch trong chế độ này chỉ còn khoảng 2,8V Đổi lại vòng điều khiển này mất 0,25s quá độ và có độ quá điều chỉnh 14% Từ kết quả mô phỏng ta có thể thấy yêu cầu về giảm độ lớn tụ DC đã đạt được khi độ đập mạch trên tụ DC không còn đáng kể và không ảnh hưởng đến chất lượng dòng điện lên lưới
Hình 3.18 Dòng điện sạc vào pin
Hình 3.19 Dòng điện trên cuộn cảm coupled
Hình 3.20 Dòng điện trên cuôn cảm rò
Có thể thấy, khi sử dụng phương pháp sạc hình sin, các dòng điện bên phía mạch CFDAB như dòng điện qua cuộn cảm couple, dòng rò đều dao động với tần số 100 Hz
Kết luận: Với phương pháp sạc hình sin, ta có thể sử dụng tụ film với giá trị điện dung nhỏ cho DC bus, từ đó nâng cao tuổi thọ của bộ biến đổi AC Battery Áp dụng vòng điều khiển dao động điện áp có thể giảm đáng kể độ đập mạch trên tụ DC, giảm THD của dòng điện lên lưới cũng như tăng hiệu suất của toàn bộ biến đổi.
Cấu trúc điều khiển và mô phỏng hệ thống AC Battery chế độ sạc
Cấu trúc điều khiển
Cấu trúc điều khiển xả AC Battery bắt đầu với công suất xả ra từ pin, thông qua mạch DC/DC điều chỉnh điện áp trên tụ DC bus lên mức 650V, sau đó biến đổi thành điện áp xoay chiều một pha và cung cấp công suất cho tải thuần trở 6,6kW
IB-PWM Control loop theta u d u q u o
Lead-lag Duty ratio Primary
Phase shift Pri and Sec Q1a-Q2 S1-S4
Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển AC Battery chế độ xả
Trong chế độ này, mạch CFDAB hoạt động ở chế độ boost, các biến được điểu khiển là D và 1 là hệ số điều chế của các van Q 1 , Q 2 phía sơ cấp và góc dịch pha hai cầu biến áp Góc dịch pha ảnh hưởng đến mức công suất truyền ra, góc dịch pha càng lớn thì công suất càng lớn, vì vậy mà 1 luôn được giới hạn ở mức nhỏ hơn 30° Tín hiệu điện áp tụ clamp và điện áp trên tụ DC được đo về và ổn định thông qua hai bộ điều chỉnh lead-lag, so sánh với các giá trị đặt từ đó trở thành các giá trị hệ số điều chế và góc dịch pha cung cấp cho khối PWM Ở phía xoay chiều, mạch IFB hoạt động ở chế độ nghịch lưu Thiết kế điều khiển trên hệ trục tọa độ xoay dq, cấu trúc điều khiển tầng với vòng điều khiển điện áp nghịch lưu ở phía ngoài và bên trong là vòng điều khiển dòng điện trên tải Điện áp trên tải sau khi đo về sẽ đi qua biến đổi Park để đổi hệ trúc tọa độ, sau đó so sánh với giá trị đặt và được ổn định bằng bộ điều chỉnh PI Tương tự dòng điện trên tải cũng được biến đổi Park sau đó so sánh với giá trị tham chiếu chính là đầu ra của vòng điều khiển điện áp và qua bộ biến đổi PI Đầu ra của bộ điều khiển dòng điện sẽ biến đổi Park ngược để trả về hệ trục tọa độ thông thường, chia cho giá trị điện áp trên tụ DC và trở thành hệ số điều chế cung cấp cho PWM
Is_fb Voltage controller Current controller
Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển IFB chế độ nghịch lưu nguồn áp
Với luật phát xung Interleaved, cũng như việc sử dụng lọc LC, độ đập mạch của dòng điện đầu ra giảm đáng kể, từ đó cải thiện chất lượng điện năng trên tải, giảm THD điện áp trên tải.
Kết quả mô phỏng AC Battery chế độ xả
4.2.1 Thông số mô phỏng AC Battery chế độ xả
Thông số mô phỏng giống với chế độ sạc
Thông số Ký hiệu Giá trị
Công suất bộ biến đổi P 3,3kW Điện áp bus DC V 650V
Tần số chuyển mạch fsw 100kHz Điện cảm phía DC Ldc 140𝜇H
Tỷ số biến áp n 400/650 Điện cảm rò Lr 15𝜇H Điện áp đầu vào (battery) Vbat 96-110V
Bảng 4.1 Thông số mô phỏng mạch CFDAB chế độ xả
Thông số Ký hiệu Giá trị
Công suất bộ biến đổi P 6,6kW Điện áp bus DC V 650V
Tần số chuyển mạch fsw 50kHz
Tụ một chiều Cdc 70𝜇𝐹 Điện cảm phía nghịch lưu Li 330𝜇H Điện áp lưới Vac 220V
Bảng 4.2 Thông số mô phỏng mạch IFB chế độ xả
Tụ film 70 𝜇𝐹 vẫn được sử dụng DC bus để kiếm tra khả năng điều khiển, tính ổn định cũng như những ảnh hưởng khi sử dụng một tụ có dung kháng nhỏ đối với hệ thống AC Battery
4.2.2 Kịch bản mô phỏng AC Battery chế độ xả
Hệ thống xả AC Battery được mô phỏng với kịch bản thay đổi mức công suất từ 3,3kW lên 6,6kW rồi lại trở về 3,3kW
1 0 s – 0.1 s Điều khiển điện áp tụ clamp lên 400 V 2 0.1 s – 0.15 s Điều khiển điện áp DC bus lên 650V
3 0.15 s – 0.4 s Đóng tải công suất 3,3kW 4 0.4 s – 0.7 s Tăng công suất lên 6,6kW
5 0.7 s – 1.0 s Giảm công suất về 3,3kW
Bảng 4.3 Kịch bản mô phỏng chế độ xả
Hình 4.3 Tổng quan kết quả mô phỏng AC Battery chế độ xả
Nhìn chung, kết quả mô phỏng đã đáp ứng các yêu cầu cơ bản về điều khiển của bộ AC Battery, sau đây chúng ta sẽ đi vào nhận xét chi tiết các kết quả mô phỏng Đầu tiên là về điện áp và dòng điện ra tải
Hình 4.4 Dòng điện và điện áp trên tải
Từ kết quả mô phỏng, ta thấy bộ biến đổi có thể điều công suất đầu ra đúng với mức công suất yêu cầu Tại thời điểm bắt đầu nổi tải, hệ thống mất 0.08s để quá độ về trạng thái ổn định Với mỗi lần thay đổi công suất ( tăng và giảm ), điện áp trên tải có quá độ sai lệch nhnhưng ngay lập tức tiến về trạng thái ổn định
Hình 4.5 THD của điện áp trên tải
Bằng việc phân tích phổ sóng hài, chất lượng điện áp đầu ra được điều khiển vô cùng tốt với THD chỉ 0,95%, thỏa mãn tiêu chuẩn…
Hình 4.6 Dòng điện trên cuộn cảm DC Couple
Hình 4.7 Dòng điện trên cuộn cảm rò
Từ kết quả mô phỏng ta có thể thấy các dòng điện bên phía bộ biến đổi CFDAB đều dao động mạnh ở tần số 100Hz do tải công suất tải đầu ra xoay chiều
Ngoài ra dòng điện trên hai cuộn cảm DC Coupled đã bám vào nhau đúng theo lý thuyết
Hình 4.8 Điện áp trên tụ DC
Dù cho tụ DC có giá trị điện dung nhỏ, nhưng độ đập mạch điện áp trên tụ DC cũng không lớn, chỉ rơi vào mức 4,4V ( đỉnh- đỉnh ), điều này được lý giải bởi chính những kết quả mô phỏng dòng điện bên trên Công suất dao động chênh lệch giữa hai phía đã được cân bằng bởi dao động dòng điện ở tần số 100 Hz, vì vậy mà công suất đệm trên tụ là không đáng kể và dẫn tới độ đập mạch điện áp trên tụ cũng rất nhỏ
Tổng kết: Hệ thống AC Battery đã hoạt động ổn định ở chế độ xả với mức công suất 6,6kW, đạt được các yêu cầu về điều khiển cũng như yêu cầu về việc giảm điện dung tụ DC bus, từ đó giảm kích cỡ cũng như tăng tuổi thọ toàn bộ biến đổi.
