tiểu luận tốt nghiệp đại học thiết kế điều khiển bộ biến đổi dc ac cho hệ thống pin năng lượng mặt trời 3 pha độc lập

Đề cương của các chương Chương 1: Tổng quan hệ thống PIN năng lượng mặt trời  Chương 2: Tính chọn mạch lực bộ biến đổi DC/AC 3 pha2.1 Phân tích BBĐ DC/AC.2.2 Tính chọn van bán dẫn.2.3

TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Pin năng lượng mặt trời

Điện mặt trời là nguồn điện được chuyển hóa từ ánh nắng mặt trời thông qua các tấm pin năng lượng Dựa trên hiệu ứng quang điện của các chất bán dẫn bên trong tấm pin mặt trời Để khai thác được nguồn năng lượng mặt trời chúng ta kết nối nhiều thiết bị lại tạo thành một hệ thống điện mặt trời Từ đó biến đổi quang năng của mặt trời thành điện năng cung cấp cho quá trình sinh hoạt và sản xuất của con người.

Nguyên lý và mô hình toán học của Pin mặt trời

1.2.1 Nguyên lý làm việc của pin năng lượng mặt trời

Ngày nay, vật liệu chủ yếu tạo ra pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể, tạo ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau bởi lớp tiếp xúc p – n Pin mặt trời là thiết bị chuyển hóa bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện được trình bày như Hình.

Hình 1.1 Hình cấu tạo Pin năng lượng mặt trời.

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời.

Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.

Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là “lỗ trống” Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào “lỗ trống”, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống” Cứ tiếp tục như vậy “lỗ trống” di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.

1.2.2 Mô hình toán học của pin năng lượng mặt trời

Theo quan điểm năng lượng điện tử, thì pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) có thể được coi là như những nguồn dòng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V như Hình 1.3.

Hình 1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

Hiệu suất của tấm pin mặt trời đạt giá trị lớn nhất khi pin mặt trời cung cấp công suất cực đại Theo đặc tính phi tuyến thì nó sẽ xảy ra khi P-V là cực đại, tức là P-V P max tại thời điểm ( I max , V max ) được gọi là điểm cực đại MPP (Maximum Point Power).

Hệ bám điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Point Power Tracking) được sử dụng để đảm bảo rằng pin mặt trời luôn luôn làm việc ở điểm MPP bất chấp tải được nối vào pin.

Hình 1.4 Dòng điện 1 modul tấm pin

Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng von- ampe của pin như sau:

Trong đó I ph : là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có R S v à R Sh ) (A/ m 2 )

I s : là dòng bão hòa (A/ m 2 )Q là điện tích của điện từ (C) = 1,6.10 − 19 K là hệ số boltzman = 1,38.10 −23 (J/K) T là nhiệt độ (K)

I, V:lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra.

Dòng quang điện được tính như sau:

Với: Isc: là dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 25 0 C k I : hệ số nhiệt độ của dòng điện ngắn mạch

T ref : nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu).

H: bức xạ của mặt trời KW / m 2 Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với nhiệt độ của pin được tính như sau:

Trong đó: I Rs : là dòng bão hòa ngược ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời.

E G : năng lượng vùng cấp của chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý tưởng và công nghệ làm pin.

Các cấu trúc tùy dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời

Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung được chia ra thành 2 loại cơ bản:

- Hệ PV làm việc độc lập - Hệ PV làm việc với lưới

Nhưng nhìn chung có cấu trúc và chức năng khá tương đồng nhau ta cùng phân tích cấu trúc tổng quát của hệ thống pin năng lượng mặt trời vá sau đó phân tích từng hệ.

1.3.1 Cấu trúc chung hệ thống Pin năng lượng mặt trời

Cấu trúc của pin năng lượng mặt trời gồm các thành phần sau:

Pin mặt trời là một thiết bị điện tử, trực tiếp chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng Ánh sáng chiếu vào pin mặt trời tạo ra điện áp để tạo năng lượng điện.

Cấu tạo gồm ba thành phần chính:

- Mặt ghép bán dẫn p – n: sử dụng tinh thể Silic, đây là thành phần chính của pin và lớp n thường mỏng để ánh sáng có thể chiếu tới lớp tiếp xúc p – n

- Điện cực: là thành phần dẫn điện ra phụ tải, vật liệu làm điện cực vừa phải có độ dẫn tốt vừa phải bám dính tốt vào chất bán dẫn

- Lớp chống phản quang: nếu sự phản xạ ánh sáng càng nhiều sẽ làm cho hiệu suất của pin giảm Vì vậy phải phủ một lớp chống phản quang.

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là silic tinh thể, pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

- Silic đơn tinh thể hay còn gọi là pin Mono.

- Silic đa tinh thể hay còn gọi là pin mặt trời Poly.

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy.

 Bộ biến đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC-DC là bộ điều khiển dòng điện, điện áp một chiều khi nguồn cấp là một chiều.Và được sử dụng nhiều trong nguồn điện một chiều với mục đích đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn một chiều có thể điều khiển được Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC-DC được kết hợp chặt chẽ với thuật toán MPPT.

Thuật toán MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khóa điện tử,một cuộn cảm để giử năng lượng, một diode dẫn dòng và một tụ điện để lọc nguồn.

 Bộ biến đổi DC/AC

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện Trong trường hợp đầu, bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và trường hợp sau là bộ nghịch lưu dòng Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính nguồn dòng điện.

 Tải AC và tải DC

Tải AC và tải DC là những đồ dùng điện trong nhà đối với các hệ thống pin năng lượng mặt trời có công suất nhỏ sử dụng dòng điện 1 chiều hoặc xoay chiều. Đối với pin mặt trời sử dụng trong công nghiệp thì loại này thường dùng điện AC 3 pha, hay dòng DC có công suất lớn cho các động cơ công nghiệp.

1.3.2 Hệ pv làm việc với lưới

1.3.2.1 Giơí thiệu về hệ pv làm việc với lưới

Một hệ thống PV được kết nối lưới bao gồm các tấm pin mặt trời, một hoặc nhiều bộ biến tần, một bộ điều hòa năng lượng và thiết bị kết nối lưới Các hệ thống này bao gồm từ các hệ thống dân cư và thương mại nhỏ đến các trạm năng lượng mặt trời quy mô lớn.

Về cấu trúc chung hệ pv làm việc với lưới gồm:

- Tấm pin năng lượng mặt trời - Ắc quy (có thể có hoặc không).

- Bộ biến đổi DC/DC - Bộ biến đổi DC/AC - Thiết bị nối lưới.

- Tải DC tải AC. Đây là hệ PV được nối với lưới điện Cấu trúc của hệ thống pin năng lượng mặt trời đã được trình bày ở trên Hệ thống này cho phép tụ duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ và đồng thời có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới thì nguồn năng lượng dư thừa sẽ được chuyển vào trong lưới điện, còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắng hay mưa, máy phát pin mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ lấy điện từ lưới Do đó hệ PV này có thể cần hoặc không cần ắc quy để dự trữ năng lượng tạo bởi nguồn pin mặt trời mà còn phải đảm bảo nguồn điện năng ra khỏi hệ thống quang điện phải đồng bộ với lưới.

Hệ quang điện mặt trời có thể trở thành một phần của lưới điện lớn Cấu trúc của hệ còn phụ thuộc vào quy mô của hệ và đặc tính phụ tải sử dụng khi hệ quang điện được mắc với lưới, nguồn công suất có hai chiều hướng Lưới sẽ hấp thụ nguồn điện mặt trời và sẽ cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khi hệ PV không thể sinh ra điện vào thời gian yếu ánh sáng hoặc vào ban đêm Đây chính là hình thức đang được khuyến khích phát triển nhiều nơi trên thế giới.

Hình 1.5 Hệ thống pv làm việc với lưới 1.3.2.2 Yêu cầu hệ pv làm việc với lưới

Hệ pin mặt trời được nối với lưới điện ở đầu ra của bộ ngắt đồng bộ ở cuối đầu ra của bộ đổi điện Dòng chảy công suất phụ thuộc vào cả hai hướng của điểm tiếp nối với bộ ngắt Các yêu cầu cơ bản đối với điện áp tại điểm nối là như sau:

- Biên độ và pha của điện áp phải cân bằng với biên độ và pha của dòng công suất. Điện áp được điều khiển bằng hệ số biến đổi máy biến áp hoặc góc mở bộ DC/AC trong hệ điều khiển mạch vòng kín

- Phải đảm bảo đồng bộ với tần số của lưới bằng cách sử dụng tần số hệ tần số chuẩn cho tần số đóng mở của bộ DC/AC.

Hệ PV phải được bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp, nối đất, chống sét và bảo vệ tách biệt…

Hệ PV phụ thuộc vào thời gian chiếu sáng trong ngày, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, đặc biệt là thời gian cao điểm, đặc tính phụ tải ở điểm cao nhất

1.3.3 Hệ pv làm việc độc lập

Vai trò và nhiệm vụ thiết kế bộ biến đổi DC/AC

 Vai trò của bộ biến đổi DC/AC.

Bộ biến đổi DC/AC giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ thống điều khiển trong hệ thống Pin năng lượng mặt trời nói chung hay trong hệ PV độc lập nói riêng, bởi đặc tính của hệ thống Pin mặt trời là có công suất phát luôn biến đổi do phụ thuộc điều kiện thời tiết Sự thay đổi công suất phát của chúng có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng của lưới điện, như gây dao động điện áp, thay đổi hệ số công suất, dao động tần số, tăng độ méo sóng hài dòng điện,…Vì vậy nên bộ biến đổi DC/AC giữ vai trò quan trọng trong hệ thống Pin năng lượng mặt trời Nên việc thiết kế bộ biến đổi DC/AC rất quan trọng.

 Nhiệm vụ thiết kế bộ biến đổi DC/AC Để đáp ứng yêu cầu về chất lượng điện năng đã đặt ra yêu cầu là: cần thiết phải thiết kế được bộ biến đổi DC/AC đáp ứng khả năng kết nối linh hoạt, trao đổi công suất và đảm bảo đúng điện áp, tần số, công suất mà đề tài giao Yêu cầu của bộ biến đổi là phải đảm bảo nguồn điện áp ra đúng yêu cầu và hoạt động ổn định ít sóng hài, để đảm bào thiết bị tải khi sử sụng không bị hư hỏng Nếu bộ biến đổi không đáp ứng được các yêu cầu trên thì xẽ ảnh hưởng cả hệ thống pin năng lượng mặt trời Cho nên việc thiết kế hệ thống biến đổi DC/AC rất quan trọng.

Qua chương 1 ở trên chúng ta có thể hiểu hơn về hệ thống pin năng lượng mặt trời mà ở trên đã trình bày chúng ta cùng tổng kết lại Hệ thống pin năng lượng mặt trời là bộ biến đổi quang năng thành điện năng từ ánh sáng mặt trời thông qua các tấm pin năng lượng mặt trời Và phân biệt được hệ thống pin năng lượng mặt trời, loại độc lập và loại nối lưới Loại độc lập là loại làm việc độc lập không kết nối với lưới điện, điện năng được dự trữ trong ác quy Loại hòa lưới là loại có kết nối với mạng lưới điện thông qua đó có thể sử dụng điện lưới song song với năng lượng mặt trời Song đó là cấu tạo của hệ thống pin năng lượng mặt trời, tìm hiểu về các bộ biến đổi DC/DC vàDC/AC Cuối cùng là nguyên lý hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời Đó là toàn bộ nội dung mà chương 1 ở trên đã trình bày

Qua chương 1 chúng ta thấy được quá trình chuyển hóa từ ánh sáng mặt trời thành điện năng để tiêu thụ phải trải qua khá nhiều công đoạn, mà muốn tiêu thụ điện năng ấy cho các đồ gia dụng có dòng điện xoay chiều thì phải trải qua bộ biến đổi DC/AC.

Bộ biến đổi này trong hệ thống pin năng lượng mặt trời rất quan trọng, vì vậy ta cùng tìm hiểu về nó mà qua chương 2 ta xẽ tính chọn mạch lực cho bộ biến đổi DC/AC 3 pha.

TÍNH CHỌN MẠCH LỰC BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC 3 PHA

Tính chọn van bán dẫn IGBT

2.3 Tính chọn các phần tử khác trong bộ biến đổi.

 Chương 3: Thiết kế điều khiển BBĐ DC/AC tăng áp cho hệ thống PIN năng lương mặt trời 3 pha độc lập.

3.3 Phân tích lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển cho các mạch vòng điều khiển bộ biến đổi.

3.4 Tính chọn các tham số bộ điều khiển.

3.5 Mô phỏng kiểm chứng các chế độ làm việc của BBĐ DC/AC.

 Kết luận và hướng phát triển của đề tài

4 Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Duy Trinh 5 Ngày giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp

6 Ngày hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Nghệ An, ngày 25 tháng 8 năm 2021

(Ký và ghi rõ họ tên)

TS THÁI HỮU NGUYÊN TS TRẦN DUY TRINH ĐÁNH GIÁ QUYỂN TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Tên giảng viên đánh giá: TS Trần Duy Trinh Họ và tên Sinh viên: Trần Văn Mạnh MSSV:1305200105

Tên Tiểu luận: Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC/AC cho hệ thống Pin năng lượng mặt trời 3 pha độc lập.

Nhận xét về nội dung và trình bày của Tiểu luận:

Nhận xét khác (về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

(Ký và ghi rõ họ tên) ĐÁNH GIÁ QUYỂN TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho cán bộ phản biện)

Họ và tên sinh viên: Trần Văn Mạnh MSSV: 1305200105

Nhận xét về nội dung và trình bày của Tiểu luận (Về nội dung: nhận xét về phương pháp nghiên cứu, mục tiêu, các kết quả đạt được, chưa đạt được…; Về hình thức trình bày của đồ án: các chương mục đã hợp lý chưa? Lỗi chính tả,…)

Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng mặt trời là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều, nhất là trong vài thế kỷ gần đây Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, chiếm phần chủ yếu là năng lương tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự hiên Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio, gas…) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn Xã hội loài người phát triển nếu không có năng lượng Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng cạn kiệt, giá dầu mỏ ngày càng tăng, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường,chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên Nhiều công trình nghiên cứu đã đực thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường để cấp nhiệt và điện Một hệ pin mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản gồm 2 loại: hệ pin mặt trời làm việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc với lưới Tuy nhiên nội dung chủ yếu được giới thiệu trong bài tiểu luận này chỉ nghiên cứu các thành phần trong hệ mặt trời làm việc độc lập Tiểu luận trình bày bao quát cả một hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với đầy đủ các thành phần cần thiết trong hệ Sau đó bài tiểu luận tập trung nghiên cứu sâu hơn vào nguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, bộ biến đổi DC/AC3 pha độc lập Bài tiểu luận tốt nghiệp này đối với em là một sự tập dượt quý báu trong học tập, củng như đúc rút kinh nghiệm trong các năm học Và em chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn thầy giáo TS Trần Duy Trinh đã chỉ bảo tận tình cho em bài tiểu luận này Và các thầy cô giáo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh đã nhiệt tình dạy dỗ em Song do kiến thức còn hạn hẹp nên không thể tránh khỏi sai sót mong quý

Tôi là Trần Văn Mạnh, mã số sinh viên 1305200105, sinh viên lớp DHDDTLK13Z, khóa 13 Người hướng dẫn là TS Trần Duy Trinh Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong đồ án “Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC/AC cho hệ thống Pin năng lượng mặt trời 3 pha độc lập” là kết quả quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của tôi Các dữ liệu được nêu trong đồ án là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn đều tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ ràng Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong đồ án này.

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

TÓM TẮT TIỂU LUẬN vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1

1.1 Pin năng lượng mặt trời 1

1.2 Nguyên lý và mô hình toán học của Pin mặt trời 1

1.2.1 Nguyên lý làm việc của pin năng lượng mặt trời 1

1.2.2 Mô hình toán học của pin năng lượng mặt trời 2

1.3 Các cấu trúc tùy dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời 4

1.3.1 Cấu trúc chung hệ thống Pin năng lượng mặt trời 4

1.3.2 Hệ pv làm việc với lưới 6

1.3.3 Hệ pv làm việc độc lập 8

1.3.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời 10

1.4 Vai trò và nhiệm vụ thiết kế bộ biến đổi DC/AC 10

CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN MẠCH LỰC BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC 3 PHA 12

2.1 Phân tích bộ biến đổi DC/AC 14

2.1.4 Nghịch lưu điều chỉnh độ rộng xung PWM 26

2.1.5 Lựa chọn hệ thống biến đổi DC/AC 28

2.2 Tính chọn van bán dẫn IGBT 29

2.2.1 Tổng quan Transisto có cực điều khiển cách ly IGBT 29

2.2.2 Tính chọn van bán dẫn IGBT 33

2.3 Tính chọn các phân tử khác 35

2.3.2 Tính chọn bộ lọc sóng hài 39

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BBĐ DC/AC CHO HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3 PHA ĐỘC LẬP 44

3.1 Điều chế BBĐ DC/AC 3 pha 44

3.1.1 Phương pháp vector không gian (SVM) 45

3.1.3 Điều chế BBĐ DC/AC 3pha bằng phương pháp PWM 48

3.2 Phân tích lựa chọn sơ đồ cấu trúc điều khiễn BBĐ DC/AC 3 pha 51

3.2.1 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc điều khiễn 52

3.3 Phân tích lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển cho các mạch vòng điều khiển bộ biến đổi 54

3.3.1 Phân tích lựa chọn cấu trúc mạch vòng cho BBĐ DC/AC 54

3.3.2 Phương pháp tổng hợp các mạch vòng điều khiễn 55

3.4 Tổng hợp mạch vòng cho BBĐ DC/AC 58

3.4.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện BBĐ DC/AC 58

3.4.2 Tổng hợp mạch vòng điện áp BBĐ DC/AC 60

3.5 Tính chọn các tham số bộ điều khiễn 61

3.6 Mô phỏng kiểm chứng các chế độ làm việc của BBĐ DC/AC 62

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PV: Hệ thống pin năng lượng mặt trời.

AC: Dòng điện xoay chiều.

DC/AC: Dòng điện 1 chiều sang xoay chiều.

DC/DC: Dòng điện 1 chiều sang 1 chiều.

BBĐ: Bộ biến đổi điện năng.

PWM: (Pulse Width Modulation) Phương pháp điều chế độ rộng sung PWM. m a : Hệ số điều chế biên độ. m f : Hệ số điều chế tần số.

U : Điện áp ; V: Vôn đơn vị đo của điện áp.

E : Điện áp 1 chiều ; VDC: Vôn đơn vị đo của điện áp 1 chiều.

I : Cường độ dòng điện ; A : Ampe đơn vị đo của cường độ dòng điện. f : Tần số ; Hz: Hertz (héc) đơn vị đo của tần số.

L : Điện cảm ; H: Henry đơn vị đo của điện cảm.

C : Điện dung ; F: Fara đơn vị đo của điện dung.

R : Điện trở ; Ω: Ôm đơn vị đo của điện trở.

Z : Tổng trở; ; Ω: Ôm đơn vị đo của tổng trở.

Hình 1.1 Hình cấu tạo Pin năng lượng mặt trời 1

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 2

Hình 1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 3

Hình 1.4 Dòng điện 1 modul tấm pin 3

Hình 1.5 Hệ thống pv làm việc với lưới 7

Hình 1.6 Sơ đồ khối một hệ pv độc lập bình thường 8

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống pin năng lượng mặt trời 10

Hình 2.2 Sơ đồ nghịch lưu áp cầu một pha 15

Hình 2.3 Đồ thị nghịch lưu áp cầu 1 pha 17

Hình 2.4 Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha 18

Hình 2.5 Luật điều khiễn các tiristo 19

Hình 2.6 Điện áp trên tải của mạch nghịch lưu 19

Hình 2.7 Nghịch lưu dòng 1 pha 21

Hình 2.8 Đồ thị dòng tải 22

Hình 2.11 a) Nghịch lưu cộng hưởng song song,- b) Giản đồ xung 24

Hình 2.12 Mạch nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp và sơ đồ thay thế 25

Hình 2.18 Sơ đồ hệ PV độc lập sử dụng BBĐ DC/AC độc lập nguồn áp ba pha 28

Hình 2.20 Sơ đồ thử nghiệm 1 khóa IGBT 29

Hình 2.21 Qúa trình mở IGBT 30

Hình 2.22 Qúa trình khoác IGBT 32

Hình 2.23 Cấu trúc bán dẫn của một IGBT cực nhanh 33

Hình 2.24 Cấu tạo và kí hiệu của Diode 36

Hình 2.25 Đăc tính Vôn – Ampe và đặc tính lý tưởng 37

Hình 2.26 Cấu tạo của tụ điện 39

Hình 2.27 Mạch lọc LC ba pha 42

Hình 3.1 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha 44

Hình 3.2 Qũy đạo vector không gian trên mặt phẳng 𝛼𝛽 46

Hình 3.3 Nguyên lý điều chế SPWM một pha 47

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu áp 3 pha điều khiễn sin pwm 47

Hình 3.5 Sơ đồ khối thực hiện kênh PWM cho nghịch lưu nguồn áp 3 pha 48

Hình 3.6 Điều chế sin pwm 48

Hình 3.7 Đồ thị điều chế pwm 50

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp 3 pha độc lập 52

Hình 3.9 Đặc tính tần số logarit 56

Hình 3.11 Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp 3 pha 58

Hình 3.12 Cấu trúc điều khiễn dòng điện trên hệ tọa độ quay dq 59

Hình 3.13 Mô tả toán học mạch vòng điều khiển điện áp 60

Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha điều chế bằng sin PWM bằng matlap simulink 62

Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng mạch động lực 63

Hình 3.16 Sơ đồ mô phỏng khâu điều chế sin PWM 63

Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng khâu điều chỉnh dòng điện 64

Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng khối abc-dq 64

Hình 3.19 Sơ đồ mô phỏng khối dq - abc 64

Hình 3.20 Điện áp ra khâu điều chế 65

Hình 3.21 Điện áp ra tải 65

Hình 3.22 Điện áp ra khi tải R = 200Ω 66

Bài tiểu luận này cho chúng ta biết về bộ biến đổi DC/AC nguồn áp 3 pha độc lập là một khâu được sử dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời dùng để biến đổi dòng điện 1 chiều từ pin, ắc quy thành dòng điện xoay chiều 3 pha Thông qua đó ta thấy được tầm quan trọng của bộ biến đổi đối với cuộc sống hiện tại, và phù hợp với năng lượng sạch Từ đó chúng ta đi phân tích lựa chọn thiết kế bộ biến đổi DC/AC 3 pha độc lập, ở đây có hai chương quan trọng đó là thiết kế mạch lực và thiết kế mạch điều khiễn Ở phần thiết kế mạch lực ta chọn mạch nghịch lưu cầu nguồn áp 3 pha, sử dụng van IGBT, và sau đó ta tính chọn thông số mạch lực cho van, diode, tụ và bộ lọcLC Ở mạch điều khiễn ta chọn phương án điều chế sin PWM, và sơ đồ cấu trú tổng quát cho mạch điều khiễn củng như phân tích lựa chọn cấu trúc bộ điều khiễn cho mạch vòng bộ biến đổi Và sau đó là tính chọn thông số mạch điều khiển, rồi chúng ta đi mô phỏng Đó là toàn bộ nội dung của tiểu luận mà em xin được tóm tắt lại, mà nội dung chi tiết và các bước thực hiện sẽ được trình bày ở giưới.

This essay tells us about the independent 3-phase voltage source DC/AC converter which is a stage used in the solar battery system to convert DC current from batteries,accumulators into direct current 3 phase alternating current Thereby, we see the importance of the converter for current life, and suitable for clean energy From there,we analyze and select the design of an independent 3-phase DC/AC converter, here there are two important chapters that are power circuit design and control circuit design In the design of the power circuit, we choose the 3-phase voltage source bridge inverter circuit, using the IGBT valve, and then we calculate and select the power circuit parameters for the valve, diode, capacitor and LC filter In the control circuit,we choose the PWM sine modulation plan, and the general structure diagram for the control circuit as well as the analysis and selection of the controller structure for the converter loop And then calculate the parameter selection of the control circuit, and then we go to the simulation That is the entire content of the essay that I would like to summarize, but the detailed content and implementation steps will be pre sented below.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG

1.1 Pin năng lượng mặt trời. Điện mặt trời là nguồn điện được chuyển hóa từ ánh nắng mặt trời thông qua các tấm pin năng lượng Dựa trên hiệu ứng quang điện của các chất bán dẫn bên trong tấm pin mặt trời Để khai thác được nguồn năng lượng mặt trời chúng ta kết nối nhiều thiết bị lại tạo thành một hệ thống điện mặt trời Từ đó biến đổi quang năng của mặt trời thành điện năng cung cấp cho quá trình sinh hoạt và sản xuất của con người.

1.2 Nguyên lý và mô hình toán học của Pin mặt trời.

1.3 Các cấu trúc tùy dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời.

Tính chọn các phân tử khác

Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn P-N Diode có 2 cực, anot A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu P, catot K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu N.

Dòng điện chỉ chạy qua Diode theo chiều từ A đến K khi điện áp U AK dương Khi U AK âm, dòng qua Diode gần như bằng không.

Cấu tạo và ký hiệu

Hình 2.27 Cấu tạo và kí hiệu của Diode

Tiếp giáp bán dẫn P-N là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một Diode Khi ghép 2 lớp tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống, tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện, lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng ra đến độ dày nhất định vì ở bên trong vùng N khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các Ion dương, còn bên vùng P khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp cách điện tử hóa trị ngoài cùng, tạo nên cácIon âm Các Ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể Silic nên không thể nên một điện trường E có hướng từ vùng N sang vùng P ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục các điện tử từ vùng N sang vùng P Đặc tính Vôn – Ampe Đặc tính Vôn – Ampe Đặc tính lý tưởng

Hình 2.28 Đăc tính Vôn – Ampe và đặc tính lý tưởng Đặc tính gồm 2 phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư thứ I tương ứng với U AK

> 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ III tương ứng với U AK < 0

Trên đường đặc tính thuật, nếu điện áp A-K tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp V F , dòng có thể chảy quan Diode Dòng điện áp i D có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên Diode U AK hầu như ít thay đổi Như vậy đặc tính thuận của Diode đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ

Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp U AK tăng dần từ 0 đến giá trị U mg max gọi là điện áp ngược lớp nhất, thì dòng qua Diode vẫn có giá trị rất nhỏ gọi là dòng rò Nghĩa là Diode cản trở dòng chạy qua theo chiều ngược Cho đến khi U AK đạt đến giá trị

U mg max thì xảy ra hiện tượng dòng qua Diode tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược của Diode bị phá vỡ Quá vì này không có đảo ngược nghĩa là nếu ta lại giảm điện áp trên A-K thì dòng điện vẫn không giảm Ta nói Diode bị đánh thủng Đặc tính Vôn-Ampe của các Diode khác nhau, tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng như hình trên được sử dụng nhiều hơn cả Theo đặc nó bằng 0 và chịu được điện áp ngược lớn bất kì với dòng rò bằng 0 Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, Diode có điện trở tương đương khi dần bằng 0 và khi khóa bằng ∞.

Dòng điện thuận I D : Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận I D Đây là giá trị lựa chọn diode cho ứng dụng thực tế Điện áp ngược U mg max : Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu dựng được.

Dòng điện thuận I D :Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận I D Đây là giá trị lựa chọn diode cho ứng dụng thực tế.

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van U Dngmax Xét thời điểm van V 1, D 4 khóa và V 4, D 1 thông:

Cực anode của D 4 được nối với cực âm của V g Cực Kathode của D 4 do van D 1 thông nên nối với cực dương của V g Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van

- Dòng điện trung bình đi qua Diode I D

U = 18750 3.380 = 16,45 (A) Biểu thức dòng điện trung bình đi qua diode trong một chu kỳ điện áp ra là:

- Dòng trung bình qua van là:

- Dòng điện và điện áp định mức của Diode cần chọn là:

I Ddm = k I I Dmax = 5 0,52 =2,6 (A) Ở đây ta chọn hệ số k u = 1,1, k I là 5.

Từ hai thông số trên ta chọn Diode BYX38 có các thông số cơ bản sau:

2.3.2 Tính chọn bộ lọc sóng hài 2.3.2.1 Tính chọn giá trị của tụ điện đầu vào

Tổng quan về tụ điện

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích lũy điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.

Hình 2.29 Cấu tạo của tụ điện

Một tụ điện thông thường sẽ có cấu tạo bao gồm:

 Tụ điện gồm ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng tấm kim loại Hai bề mặt này được đặt song song với nhau và được ngăn cách bởi một lớp điện

 Điện môi sử dụng cho tụ điện là các chất không dẫn điện gồm thủy tinh, giấy, giấy tẩm hóa chất, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí Các điện môi này không dẫn điện nhằm tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện.

Tùy thuộc vào chất liệu cách điện ở giữa bản cực thì tụ điện có tên gọi tương ứng Ví dụ như nếu như lớp cách điện là không khí ta có tụ không khí, là giấy ta có tụ giấy, còn là gốm ta có tụ gốm và nếu là lớp hóa chất thì cho ta tụ hóa.

Nguyên lý hoạt động của tụ

Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện như một ắc quy nhỏ dưới dạng năng lượng điện trường Nó lưu trữ hiệu quả các electron và phóng ra các điện tích này để tạo ra dòng điện Nhưng nó không có khả năng sinh ra các điện tích electron Đây cũng là điểm khác biệt lớn của tụ điện với ắc qui Nguyên lý nạp xả của tụ điện là tính chất đặc trưng và cũng là điều cơ bản trong nguyên lý làm việc của tụ điện Nhờ tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều Nếu điện áp của hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian mà ta cắm nạp hoặc xả tụ rất dễ gây ra hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt Đây là nguyên lý nạp xả của tụ điện khá phổ biến.

Một số loại tụ phổ biến

• Tụ giấy: là loại tụ điện có bản cực là các lá nhôm hoặc thiếc cách nhau bằng một lớp giấy tẩm dầu cách điện làm dung môi.

• Tụ mica màng mỏng: cấu tạo giữa các lớp điện môi là mica nhân tạo hay nhựa có màng mỏng (thin film) như Mylar, Polycarbonat, Polyeste, Polystyren (ổn định nhiệt 150 ppm/C)

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BBĐ DC/AC CHO HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3 PHA ĐỘC LẬP

Điều chế BBĐ DC/AC 3 pha

Gía trị tức thời điện áp ra của nghịch lưu là các xung áp Do đó nếu thay đổi độ rộng của các xung này thì giá trị hiệu dụng của điện áp ra xẽ thay đổi Người ta gọi đây là phương pháp điều chế độ rộng xung Phương pháp này cho phép không những thay đổi được giá trị của điện áp ra mà còn khử được các sóng điều hòa bậc cao và làm cho điện áp ra gần bằng sin.

Tương tự như nghịch lưu một pha, để có thể phân tích nguyên lý làm việc của phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha, ta giả thiết các van bán dẫn ở mạch nghịch lưu là phần tử lý tưởng.

Hình 3.31 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha Ở đây ta xét phương pháp phổ biến đó là PWM:

- Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) - Phương pháp Sin PWM

3.1.1 Phương pháp vector không gian (SVM)

Trong hệ thống điện áp 3 pha 3 dây thông thường, các giá trị điện áp (dòng điện) được biểu diễn bởi các giá trị tức thời ( U a , U b , U c ) Bằng phép chuyển trục tọa độ Clarke đưa hệ thống 3 pha từ hệ tọa độ (abc) sang hệ tọa độ αβ, ta hoàn toàn có khả năng biểu diễn hệ 3 pha như 1 vector duy nhất với biên độ xác định và quay gốc tọa độ.

Vector điện áp u được biểu điện trên tọa độ tĩnh αβ thông qua hai thành phần tương ứng theo: U =U a + j U b

Trong hệ tọa độ αβ điện áp 3 pha được biểu diễn bằng 1 vector quay có gốc tại tâm hệ trục tọa độ, độ lớn xác định bằng U m = √ (U α 2 +U β 2 ) và quay xung quang gốc tọa độ với vận tốc góc ⍵ = 𝛳 (với 𝛳= arctan ¿)) Cách biểu diễn như vậy được gọi là 1 vector không gian

Với hệ 3 pha cân bằng và đối xứng các pha điện áp có biên độ bằng nhau, và góc lệch tương ứng 2π/3.

Khi đó vector không gian u sẽ có độ lớn bằng U m và quay quanh gốc tọa độ với vận tốc góc bằng ω Trong trường hợp tổng quát với hệ 3 pha đối xứng (có thể cân bằng hoặc không cân bằng) vector không gian điện áp 3 pha có thể biểu diễn bởi 2 thành phần thuận và nghịch U = U P + U n

Thành phần thuận U P được coi như thành phần cơ bản của hệ, và quay cùng chiều với hệ khi hệ trong trạng thái cân bằng Thành phần nghịch U n là thành phần bổ xung vào hệ, có chiều quay ngược chiều với thành phần thuận, là tác nhân gây ra tính chất mất cân bằng của hệ.

Trong hệ thống điện áp 3 pha có dạng sin và cân bằng, thì quỹ đạo của vector không gian U là một đường tròn, có bán kính bằng với biên độ điện áp pha | U | = U m Còn nếu điện áp của hệ sin nhưng mất cân bằng, thì quỹ đạo vector U vẽ nên sẽ có dạng elip, đường bán kính dài có độ lớn bằng biên độ thành phần thứ tự thuận | U P | = U p m , đường bán kính ngắn có độ lớn bằng hiệu biên độ thành phần thứ tự thuận và nghịch

Hình 3.32 Qũy đạo vector không gian trên mặt phẳng 𝛼𝛽

3.1.2 Phương pháp Sin PWM Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác V tri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn V c (gọi là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển V c và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình3.3 miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:

Hình 3.33 Nguyên lý điều chế SPWM một pha

V c < V tri , V A 0 = −V dc/ 2 Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3.4 Để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu.

Hình 3.34 Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu áp 3 pha điều khiễn sin pwm 3.1.3 Điều chế BBĐ DC/AC 3pha bằng phương pháp PWM

Từ hai phương pháp trên ta điều chế theo phương pháp sin pwm.

Hình 3.35 Sơ đồ khối thực hiện kênh PWM cho nghịch lưu nguồn áp 3 pha

Hình 3.36 Điều chế sin pwm

Về nguyên lý, phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:

- Sóng mang U P (carrier signal) tần số cao - Sóng điều khiễn U r

−¿¿ (reference singnal) hoặc sóng điều chế (modulating singnal) dạng sin Ví dụ: công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang ( U r > U p ¿ Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích mở.

Sóng mang U p có thể ở dạng tam giác Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử bớt càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi có thời gian đóng t on , và ngắt t off nhất định Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang.

Sóng điều khiễn U r mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, ba sóng điều khiễn của ba pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó Trong trường hợp bộ nhịch lưu áp một pha, tương ứng với hai pha tải tưởng tượng như trên hình, ta cần tạo hai sóng điều khiễn lệch pha nhau 1/2 chu kỳ (tức chúng ngược pha nhau) Để đơn giản mạch kích hơn nữa, ta có thể sử dụng một sóng điều khiễn duy nhất để kích đóng, ví dụ: cặp công tắc ( S 1 S 4 ) được kích đóng theo quan hệ giữa sóng điều khiễn và sóng mang, còn cặp ( S 3 S 2) được kích đóng ngược lại với chúng Lúc đó, hình thành trạng thái kích đóng ( S 1 S 2 ) hoặc ( S 3 S 4 ).

Gọi m f là tỉ số điều chế tần số (Frequency modulation ratio): m f = f carrier f reference

Việc tăng giá trị của m f sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài suất hiện. Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt lớn.

Tương tự gọi m a là tỉ số điều chế biên độ (Amplitude modulation ratio):

Nếu m a < 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiễn là tuyến tính. Đối với nghịch lưu áp một pha: U t ( 1 ) m = m a U Đối với nghịch lưu áp ba pha, biên độ áp pha hài cơ bản: U t ( 1 ) m = m a U

Hình 3.37 Đồ thị điều chế pwm

Phân tích lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển cho các mạch vòng điều khiển bộ biến đổi

3.4 Tính chọn các tham số bộ điều khiển.

3.5 Mô phỏng kiểm chứng các chế độ làm việc của BBĐ DC/AC.

 Kết luận và hướng phát triển của đề tài

4 Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Duy Trinh 5 Ngày giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp

6 Ngày hoàn thành đồ án tốt nghiệp

TS THÁI HỮU NGUYÊN TS TRẦN DUY TRINH ĐÁNH GIÁ QUYỂN TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Tên giảng viên đánh giá: TS Trần Duy Trinh Họ và tên Sinh viên: Trần Văn Mạnh MSSV:1305200105

Nhận xét về nội dung và trình bày của Tiểu luận:

Nhận xét khác (về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

(Ký và ghi rõ họ tên) ĐÁNH GIÁ QUYỂN TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho cán bộ phản biện)

Họ và tên sinh viên: Trần Văn Mạnh MSSV: 1305200105

Nhận xét về nội dung và trình bày của Tiểu luận (Về nội dung: nhận xét về phương pháp nghiên cứu, mục tiêu, các kết quả đạt được, chưa đạt được…; Về hình thức trình bày của đồ án: các chương mục đã hợp lý chưa? Lỗi chính tả,…)

Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng mặt trời là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều, nhất là trong vài thế kỷ gần đây Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, chiếm phần chủ yếu là năng lương tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự hiên Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio, gas…) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn Xã hội loài người phát triển nếu không có năng lượng Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng cạn kiệt, giá dầu mỏ ngày càng tăng, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường,chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên Nhiều công trình nghiên cứu đã đực thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường để cấp nhiệt và điện Một hệ pin mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản gồm 2 loại: hệ pin mặt trời làm việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc với lưới Tuy nhiên nội dung chủ yếu được giới thiệu trong bài tiểu luận này chỉ nghiên cứu các thành phần trong hệ mặt trời làm việc độc lập Tiểu luận trình bày bao quát cả một hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với đầy đủ các thành phần cần thiết trong hệ Sau đó bài tiểu luận tập trung nghiên cứu sâu hơn vào nguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, bộ biến đổi DC/AC3 pha độc lập Bài tiểu luận tốt nghiệp này đối với em là một sự tập dượt quý báu trong học tập, củng như đúc rút kinh nghiệm trong các năm học Và em chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn thầy giáo TS Trần Duy Trinh đã chỉ bảo tận tình cho em bài tiểu luận này Và các thầy cô giáo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh đã nhiệt tình dạy dỗ em Song do kiến thức còn hạn hẹp nên không thể tránh khỏi sai sót mong quý

Tôi là Trần Văn Mạnh, mã số sinh viên 1305200105, sinh viên lớp DHDDTLK13Z, khóa 13 Người hướng dẫn là TS Trần Duy Trinh Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong đồ án “Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC/AC cho hệ thống Pin năng lượng mặt trời 3 pha độc lập” là kết quả quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của tôi Các dữ liệu được nêu trong đồ án là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn đều tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ ràng Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong đồ án này.

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

TÓM TẮT TIỂU LUẬN vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1

1.1 Pin năng lượng mặt trời 1

1.2 Nguyên lý và mô hình toán học của Pin mặt trời 1

1.2.1 Nguyên lý làm việc của pin năng lượng mặt trời 1

1.2.2 Mô hình toán học của pin năng lượng mặt trời 2

1.3 Các cấu trúc tùy dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời 4

1.3.1 Cấu trúc chung hệ thống Pin năng lượng mặt trời 4

1.3.2 Hệ pv làm việc với lưới 6

1.3.3 Hệ pv làm việc độc lập 8

1.3.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời 10

1.4 Vai trò và nhiệm vụ thiết kế bộ biến đổi DC/AC 10

CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN MẠCH LỰC BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC 3 PHA 12

2.1 Phân tích bộ biến đổi DC/AC 14

2.1.4 Nghịch lưu điều chỉnh độ rộng xung PWM 26

2.1.5 Lựa chọn hệ thống biến đổi DC/AC 28

2.2 Tính chọn van bán dẫn IGBT 29

2.2.1 Tổng quan Transisto có cực điều khiển cách ly IGBT 29

2.2.2 Tính chọn van bán dẫn IGBT 33

2.3 Tính chọn các phân tử khác 35

2.3.2 Tính chọn bộ lọc sóng hài 39

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BBĐ DC/AC CHO HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3 PHA ĐỘC LẬP 44

3.1 Điều chế BBĐ DC/AC 3 pha 44

3.1.1 Phương pháp vector không gian (SVM) 45

3.1.3 Điều chế BBĐ DC/AC 3pha bằng phương pháp PWM 48

3.2 Phân tích lựa chọn sơ đồ cấu trúc điều khiễn BBĐ DC/AC 3 pha 51

3.2.1 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc điều khiễn 52

3.3 Phân tích lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển cho các mạch vòng điều khiển bộ biến đổi 54

3.3.1 Phân tích lựa chọn cấu trúc mạch vòng cho BBĐ DC/AC 54

3.3.2 Phương pháp tổng hợp các mạch vòng điều khiễn 55

3.4 Tổng hợp mạch vòng cho BBĐ DC/AC 58

3.4.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện BBĐ DC/AC 58

3.4.2 Tổng hợp mạch vòng điện áp BBĐ DC/AC 60

3.5 Tính chọn các tham số bộ điều khiễn 61

3.6 Mô phỏng kiểm chứng các chế độ làm việc của BBĐ DC/AC 62

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PV: Hệ thống pin năng lượng mặt trời.

AC: Dòng điện xoay chiều.

DC/AC: Dòng điện 1 chiều sang xoay chiều.

DC/DC: Dòng điện 1 chiều sang 1 chiều.

BBĐ: Bộ biến đổi điện năng.

PWM: (Pulse Width Modulation) Phương pháp điều chế độ rộng sung PWM. m a : Hệ số điều chế biên độ. m f : Hệ số điều chế tần số.

U : Điện áp ; V: Vôn đơn vị đo của điện áp.

E : Điện áp 1 chiều ; VDC: Vôn đơn vị đo của điện áp 1 chiều.

I : Cường độ dòng điện ; A : Ampe đơn vị đo của cường độ dòng điện. f : Tần số ; Hz: Hertz (héc) đơn vị đo của tần số.

L : Điện cảm ; H: Henry đơn vị đo của điện cảm.

C : Điện dung ; F: Fara đơn vị đo của điện dung.

R : Điện trở ; Ω: Ôm đơn vị đo của điện trở.

Z : Tổng trở; ; Ω: Ôm đơn vị đo của tổng trở.

Hình 1.1 Hình cấu tạo Pin năng lượng mặt trời 1

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 2

Hình 1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 3

Hình 1.4 Dòng điện 1 modul tấm pin 3

Hình 1.5 Hệ thống pv làm việc với lưới 7

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống pin năng lượng mặt trời 10

Hình 2.2 Sơ đồ nghịch lưu áp cầu một pha 15

Hình 2.3 Đồ thị nghịch lưu áp cầu 1 pha 17

Hình 2.4 Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha 18

Hình 2.5 Luật điều khiễn các tiristo 19

Hình 2.6 Điện áp trên tải của mạch nghịch lưu 19

Hình 2.11 a) Nghịch lưu cộng hưởng song song,- b) Giản đồ xung 24

Hình 2.12 Mạch nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp và sơ đồ thay thế 25

Hình 2.18 Sơ đồ hệ PV độc lập sử dụng BBĐ DC/AC độc lập nguồn áp ba pha 28

Hình 2.20 Sơ đồ thử nghiệm 1 khóa IGBT 29

Hình 2.21 Qúa trình mở IGBT 30

Hình 2.22 Qúa trình khoác IGBT 32

Hình 2.23 Cấu trúc bán dẫn của một IGBT cực nhanh 33

Hình 2.24 Cấu tạo và kí hiệu của Diode 36

Hình 2.25 Đăc tính Vôn – Ampe và đặc tính lý tưởng 37

Hình 2.26 Cấu tạo của tụ điện 39

Hình 2.27 Mạch lọc LC ba pha 42

Hình 3.1 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha 44

Hình 3.2 Qũy đạo vector không gian trên mặt phẳng 𝛼𝛽 46

Hình 3.3 Nguyên lý điều chế SPWM một pha 47

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu áp 3 pha điều khiễn sin pwm 47

Hình 3.5 Sơ đồ khối thực hiện kênh PWM cho nghịch lưu nguồn áp 3 pha 48

Hình 3.6 Điều chế sin pwm 48

Hình 3.7 Đồ thị điều chế pwm 50

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp 3 pha độc lập 52

Hình 3.11 Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp 3 pha 58

Hình 3.12 Cấu trúc điều khiễn dòng điện trên hệ tọa độ quay dq 59

Hình 3.13 Mô tả toán học mạch vòng điều khiển điện áp 60

Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha điều chế bằng sin PWM bằng matlap simulink 62

Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng mạch động lực 63

Hình 3.16 Sơ đồ mô phỏng khâu điều chế sin PWM 63

Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng khâu điều chỉnh dòng điện 64

Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng khối abc-dq 64

Hình 3.19 Sơ đồ mô phỏng khối dq - abc 64

Hình 3.20 Điện áp ra khâu điều chế 65

Hình 3.21 Điện áp ra tải 65

Hình 3.22 Điện áp ra khi tải R = 200Ω 66

Bài tiểu luận này cho chúng ta biết về bộ biến đổi DC/AC nguồn áp 3 pha độc lập là một khâu được sử dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời dùng để biến đổi dòng điện 1 chiều từ pin, ắc quy thành dòng điện xoay chiều 3 pha Thông qua đó ta thấy được tầm quan trọng của bộ biến đổi đối với cuộc sống hiện tại, và phù hợp với năng lượng sạch Từ đó chúng ta đi phân tích lựa chọn thiết kế bộ biến đổi DC/AC 3 pha độc lập, ở đây có hai chương quan trọng đó là thiết kế mạch lực và thiết kế mạch điều khiễn Ở phần thiết kế mạch lực ta chọn mạch nghịch lưu cầu nguồn áp 3 pha, sử dụng van IGBT, và sau đó ta tính chọn thông số mạch lực cho van, diode, tụ và bộ lọcLC Ở mạch điều khiễn ta chọn phương án điều chế sin PWM, và sơ đồ cấu trú tổng quát cho mạch điều khiễn củng như phân tích lựa chọn cấu trúc bộ điều khiễn cho mạch vòng bộ biến đổi Và sau đó là tính chọn thông số mạch điều khiển, rồi chúng ta đi mô phỏng Đó là toàn bộ nội dung của tiểu luận mà em xin được tóm tắt lại, mà nội dung chi tiết và các bước thực hiện sẽ được trình bày ở giưới.

This essay tells us about the independent 3-phase voltage source DC/AC converter which is a stage used in the solar battery system to convert DC current from batteries,accumulators into direct current 3 phase alternating current Thereby, we see the importance of the converter for current life, and suitable for clean energy From there,we analyze and select the design of an independent 3-phase DC/AC converter, here there are two important chapters that are power circuit design and control circuit design In the design of the power circuit, we choose the 3-phase voltage source bridge inverter circuit, using the IGBT valve, and then we calculate and select the power circuit parameters for the valve, diode, capacitor and LC filter In the control circuit,we choose the PWM sine modulation plan, and the general structure diagram for the control circuit as well as the analysis and selection of the controller structure for the converter loop And then calculate the parameter selection of the control circuit, and then we go to the simulation That is the entire content of the essay that I would like to summarize, but the detailed content and implementation steps will be pre sented below.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG

1.1 Pin năng lượng mặt trời. Điện mặt trời là nguồn điện được chuyển hóa từ ánh nắng mặt trời thông qua các tấm pin năng lượng Dựa trên hiệu ứng quang điện của các chất bán dẫn bên trong tấm pin mặt trời Để khai thác được nguồn năng lượng mặt trời chúng ta kết nối nhiều thiết bị lại tạo thành một hệ thống điện mặt trời Từ đó biến đổi quang năng của mặt trời thành điện năng cung cấp cho quá trình sinh hoạt và sản xuất của con người.

1.2 Nguyên lý và mô hình toán học của Pin mặt trời.

1.3 Các cấu trúc tùy dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời.

Tổng hợp mạch vòng cho BBĐ DC/AC

3.4.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện BBĐ DC/AC

Qua sự phân tích ở trên ta thiết kế mạch vòng dòng điện điều khiễn trên tọa độ quay dp, trong đó mạch tích hợp hai bộ điều khiễn PI bằng phương pháp tối ưu đối xứng modun một bộ nằm trên trục d và một bộ nằm trên trục q Vì phương pháp này thích hợp hơn phương pháp tối ưu modun (dùng cho mạch hở), và chất lượng tín hiệu ra cũng tốt hơn ít nhiễu hơn.

Hình 3.41 Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp 3 pha

Phương trình cân bằng điện áp mạch điện tương đương:

{ u u u sa sb sc = = =r r r L L L i i i sa sb sc + + + di di di d d d sa t sb t sc t +u +u +u Lc La Lb park { u u sd sq =r =r L L i i sd sq + + di di d d sd t sq t − + ⍵ ⍵ s s Li Li sd sq + +u u Lq Ld

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh dòng điện trên tọa độ quay dp.

Hình 3.42 Cấu trúc điều khiễn dòng điện trên hệ tọa độ quay dq

Mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu 3 pha độc lập được thiết kế với hệ phương trình giưới bằng cách đặt, v sd =β d v 0 , v sq = β q v 0 (Trong trường hợp này, thành phần điện áp lưới được thay thể bởi điện áp sau mạch lọc LC, chiều dòng điện được qui ước chảy từ nghịch lưu nguồn áp 3 pha đến tải).

{ ˙ i sq ˙ i sd =− = ⍵ ⍵ i i sq sd − − v L v Ld L Ld + + 1 L 1 L v v sd sq

Mô hình trên thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa đầu ra dòng điện và tín hiệu điều khiển là thành phần điện áp tương ứng, các thành phần đan kênh ⍵ i q , ⍵ i d và nhiễu điện áp tải sẽ được khử bằng bù chéo kết hợp thành phần tích phân trong bộ điều chỉnh dòng điện Khi đó hàm truyền giữa dòng điện và tín hiệu điều khiển là thành phần điện áp tương ứng Với cách thể hiện đối tượng điều khiển ở giưới khi đó đầu ra bộ điều chỉnh dòng điên có thứ nguyên là điện áp, điều này rất thuận tiện khi kết hợp thuật toán điều chế độ rộng xung PWM như sinPWM hoặc SVM trong cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực nói riêng hoặc nghịch lưu nguồn áp 3 pha nói chung. i ˙ d (s ) v d (s) = v i ˙ q (s) q ( s) = L 1 f s

Giả thiết khâu điều chế độ rộng xung truyền đạt nguyên vẹn về pha và biên độ, khi đó hàm truyền hệ kín sẽ là:

Tham số bộ điều chỉnh dòng điện:

Mô hình đối tượng mạch vòng điều chỉnh điện áp được viết trên hệ trục độ abc như giưới dựa vào phương trình Kirchhof viết cho nút dòng điện tại điểm kết nối giữa tải và mạch lọc LC đầu ra nghịch lưu nguồn áp.

{ i i i sa sb sc =i =i =i La Lb Lc + + +C C C f f f dv dv dv dt dt dt La Lb Lc

3.4.2 Tổng hợp mạch vòng điện áp BBĐ DC/AC Đáp ứng mạch vòng dòng điện nhanh đáng kể so với vòng điện áp nên có thể coi hàm truyền mạch vòng dòng điện là 1. v s = 1 c ∫ i c dt= 1 c ∫ (i ¿¿ s−i load ) dt ¿ ⇒ G s = i v s (s) s (s )−i load ( s) = cs 1

Hình 3.43 Mô tả toán học mạch vòng điều khiển điện áp.

Hàm truyền vòng kín mạch vòng điện áp là: v ( s) K ( s )+ K ( K ¿¿ i/ C )

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh điện áp trên tọa độ quay dp.

Tương tự với mạch vòng áp ta áp dụng phép biến đổi hệ tọa độ CLAKE và PARK ta biến đổi phương trình cân bằng dòng từ hệ tọa độ tĩnh abc sang hệ tọa độ quay dq với tốc độ quay là ω là tần số cơ bản của điện áp đầu ra.

{ ˙ i ˙ i sd sq =i =i Ld Lq +C +C f f dv dv dt dt Ld Lq − + ⍵ ⍵ C C f f v v Ld Lq

Giả thiết, các thành phần đan kênh ⍵ C f v q , ⍵ C f v d và nhiễu dòng điện tải sẽ được khử bằng bù chéo kết hợp thành phần tích phân trong bộ điều chỉnh điện áp, từ hệ trên dễ dàng xác định mối quan hệ giữa thành phần điện áp tải và lượng đặt thành phần dòng điện tương ứng (coi hàm truyền kín mạch vòng dòng điện xấp xỉ bằng 1).

{ v v i i sd ¿ sq ¿ Ld Lq ( ( ( ( s) s) s) s) = = Cs Cs 1 1 = = T T 1 1 V V s s

Hàm truyền kín mạch vòng điện áp có dạng:

Tham số bộ điều chỉnh điện áp:

Tính chọn các tham số bộ điều khiễn

Tham số bộ nghịch lưu độc lập: thành phần sóng hài cơ bản đầu ra mạch nghịch lưu 3 pha 380V/50HZ.

Tham số mạch lọc ta tính được ở chương hai L f = 0,724 H và C f 31.10 −6 F.

Tính chọn tham số điều chỉnh dòng điện.

Trong trường hợp này chọn hằng số thời gian T 0 c cỡ 0,2 ms (bằng chu kỳ sóng mang trong khâu điều chế độ rộng xung) và hệ số tắt dần c = 0,71 Tham số của bộ điều chỉnh PI tính bằng:{ K T p c i c = = 2 2 ❑ ❑ c c T T L 0 f c 0 c = = 2.0,71 2.0,71 0,2 724 0,2 = = 0,3 5,14

Tính chọn tham số điều chỉnh điện áp.

Với mạch vòng điện áp chọn hằng số thời gian T 0v cỡ 5 lần hằng số thời gian của mạch vòng dòng điện, T 0 v = 1 ms Tham số bộ điều chỉnh PI tính bằng:

Tính chọn thông số điều chế sin pwm

Ta có: U 1 m ( m a = 0,8 ¿= 0,612 m a E = 0,612.0,8E Để điện áp ra là ba pha 380V thì tương đương điện áp dây có giá trị hiệu dụng 380V, vậy nguồn 1 chiều cần có giá trị: E = U 1 mdây

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	9,97 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Phạm Quốc Hải, hướng dẫn thiết kế điện tử công suất - nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2009	Khác
[2] Võ Minh Chính (chủ biên), Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, điện tử công suất - nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật	Khác
[3] Trần Trọng Minh, giáo trình điện tử công suất - nhà xuất bản giáo dục	Khác
[4] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, mô hình hóa và thiết kế điều khiễn cho các bộ biến đổi điện tử công suất - 25/7/2017	Khác
[5] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB & simulink dành cho kỹ sư điều khiễn tự động - nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2007	Khác
[6] Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 5(30)-2016	Khác