luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi linh hoạt cho nguồn năng lượng mặt trời nối lưới

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Đơ vị tiêu thụ năng lượng Hệ số chuyển đổi năng lượng sang đơn vị điện sang TOE=0.0001543*lượng tiêu thụ nhiên liệu đơn vị vật lý 4 Hệ thống PV Hệ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

QUẢNG NINH – NĂM 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

HOÀNG MẠNH HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI LINH HOẠT CHO NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN THẾ VĨNH

QUẢNG NINH – NĂM 2021

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hoàng Mạnh Hùng Mã học viên: CQ02CH0004

Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1974 Nơi sinh: P.Vàng Danh, TP Uông Bí

1 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi linh hoạt cho nguồn năng lượng mặt trời nối lưới

2 Nội dung: Nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi linh hoạt cho nguồn năng lượng mặt trời nối lưới

3 Ngày giao nhiệm vụ: 26/10/2020

4 Ngày hoàn thiện nhiệm vụ: 15/5/2021

5 Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thế Vĩnh

(Ký, ghi rõ họ tên và đóng dấu)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn này là các kết quả

thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi cùng với sự hướng dẫn của thầy TS.Nguyễn Thế Vĩnh, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác Nội dung nghiên cứu có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn tài liệu đã được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo

Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Quảng Ninh, ngày 09 tháng 05 năm 2021

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh,

Khoa Điện, các thầy cô và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý

kiến quý báu giúp tôi hoàn thành bản luận án này Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân

thành và sâu sắc đến Thầy hướng dẫn TS Nguyễn Thế Vĩnh đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp

đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin cảm ơn gia đình và người thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên tôi trong

suốt quá trình nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Quảng Ninh, ngày 09 tháng 05 năm 2021

Tác giả luận văn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Đơ vị tiêu thụ năng lượng (Hệ số chuyển đổi năng lượng sang đơn vị điện sang TOE=0.0001543*lượng tiêu thụ nhiên liệu (đơn vị vật lý))

4 Hệ thống PV Hệ Thống tấm năng lượng mặt trời

5 Hybrid Hệ thống lai

6 DCM Chế độ dẫn dòng không liên tục

7 MPPT Tìm điểm công suất cực đại

8 PLC Truyền thông trên đường dây truyền tải

9 CAES Hệ thống năng lượng khí nén và lưu trữ dòng điện một

chiều

11 HVDC Đường dây truyền tải một chiều điện áp cao

12 MCB Bộ biến đổi Boost có mạch từ

13 Buck-Boost Bộ biến đổi cơ bản Buck (hạ áp) và Boost (tăng áp)

14 MCB-RS Bộ biến đổi Boost có mạch từ và mạch phục hồi

15 Rdson Điện trở trong thấp của Mosfet

16 Vds Điện áp trên hai cực DS của Mostfet

17 Lf1 Năng lượng rò rỉ trong điện cảm L1

18 DSP Điều khiển phân tán

20 PI Hệ số Tỷ lệ cộng-tích phân

21 PD Hệ số Tỷ lệ cộng - đạo hàm

22 PID Hệ số Tỷ lệ cộng với tích phân cộng với đạo hàm

25 VMPP Điện áp trong quá trình timd điểm công suất cực đại

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ thống điện tử công suất với lưới điện, tải/nguồn, nguồn chuyển đổi và kiểm

soát 4

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát cho các hệ thống quang điện kết nối lưới một pha 4

Hình 1.3 Giải pháp trực tiếp cho dc-dc hai chiều và một chiều bộ biến đổi buck với đầu ra kép 7

Hình 1.4 Giải pháp đề xuất cho DC-DC hai chiều và một chiều bộ biến đổi buck với đầu ra kép 7

Hình 1.6 Kết nối nối tiếp của các bộ biến đổi: a) đầu vào và đầu ra nối tiếp, b) đầu vào song song và đầu ra nối tiếp 10

Hình 1.7 Kết nối của các bộ biến đổi theo tầng 11

Hình 1.8 Kết nối các bộ biến đổi song song 11

Hình 1.9 Mạch digram chính của một mặt phẳng quang điện hoạt động theo phương pháp đã nêu 14

Hình 1.10 Khái niệm chung về hệ thống phát điện phân tán 15

Hình 1.11 Hệ thống song song được tích hợp hệ thống PLC 16

Hình 2.1 Đề xuất bộ biến đổi DC-DC hai chiều 19

Bảng 2.1 Các trạng thái liên kết thu được với các trạng thái của công tắc nguồn 19

Hình 2.1 Sơ đồ tại chế độ St- 1 20

Hình 2.3 Sơ đồ bộ biến đổi MCB với mạch phục hồi RS 21

Hình 2.4 Sơ đồ mô hình mô phỏng bộ biến đổi MCB-RS 22

Hình 2.5 Các dòng điện khác nhau của L1, L2 và C trong bộ biến đổi MCB-RS nhận từ mô phỏng 23

Hình 2.6 Các điện áp khác nhau V D0 , V C và V ds trong bộ biến đổi MCB-RS 24

Hình 2.7 Sơ đồ tại trạng thái St-2 26

Hình 2.8 Đồ thị hoạt động trạng thái St – 2 26

Hình 2.9 Sơ đồ tại trạng thái St-3 26

Hình 2.10 Sơ đồ tại chế độ St-4, 5 và 6 27

Hình 2.11 Sơ đồ khối điều khiển cho bộ DC-DC 3 cổng 28

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển [25] 30

Hình 2.12 Phương pháp P&O 32

Hình 3.1 Đồ thị trong quá trình hoạt động tại trạng thái 1 35

Hình 3.3 (a) Điện áp trên các khóa S1 và S2, (b) Công suất trên ba cổng 37

Hình 3.5 Sơ đồ khối PIC 16F877A – 40Pin 40

Hình 3.6 Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử 42

Hình 3.7 Đặc tính điện áp cực cửa 42

Hình 3.8 Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử 42

Hình 3.9 Hình ảnh cảm biến dòng ASC712 43

Hình 3.10 Hình ảnh cho hệ thống sử dụng bộ DC-DC 3 cổng 43

Hình 3.11 Kết quả đo trên máy hiện sóng, (a) Điện áp trên khóa S1, (b) Điện áp đầu vào từ PV và điện áp đầu ra của bộ DC-DC 45

Hình 3.12 Kết quả đo trên máy hiện sóng, (a) Điện áp trên khóa S2, (b) Điện áp trên

khóa S1 46

Hình 3.13 Hiệu suất của bộ thực hiện tại các trạng thái, 47

Hình 3.14 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm 47

Hình PL2.1 Sơ đồ chân của bộ biến đổi 54

Hình PL2.2 Sơ đồ mạch in bộ DC-DC linh hoạt 55

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT III

DANH MỤC CÁC BẢNG Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU 1

1, Tính cấp thiết của đề tài: 1

2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài: 1

3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

4, Nội dung nghiên cứu: 2

5, Phương pháp nghiên cứu: 2

6, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: 2

7, Cấu trúc của luận văn: 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU NHIỀU ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Bộ biến đổi năng lượng trong hệ thống phân phối điện 3

1.3 Vai trò của điện tử công suất trong các hệ thống năng lượng tái tạo 3

1.3.1 Biến tần trung tâm 4

1.3.2 Bộ biến tần chuỗi 5

1.3.3 Biến tần tích hợp điều chế 5

1.3.4 Đánh giá tài liệu cho bộ biến đổi DC-DC 5

* Bộ DC-DC đầu ra kép đầu vào đơn 5

* Bộ biến đổi dc-dc đa cấp hai chiều 5

* Bộ biến đổi công suất 16 pha không cảm biến hai chiều xen kẽ bộ biến đổi DC-DC cho ứng dụng xe hybrid 5

* Bộ chuyển đổi buck DC-DC hai chiều với đầu ra kép đầu vào đơn 6

* Những phương pháp cho bộ biến đổi hai chiều 6

1.4 Các cấu trúc hệ thống pin mặt trời 7

1.5 Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC LINH HOẠT 18

2.1 Giới thiệu 18

2.2 Bộ biến đổi dc-dc hai chiều nhiều cổng 18

2.3 Kỹ thuật điều khiển cho bộ DC-DC 27

2.3.1 Phân tích điều khiển các trạng thái của bộ biến đổi 27

* Trạng thái 1 - Liên kết PV với tải tại đường dây DC 27

* Trạng thái 2 –PV Liên kết ắc quy và tải tại đường dây DC 28

* Trạng thái 3- PV và ắc quy vào tải tại đường dây DC 28

* Trạng thái 4- PV vào ắc quy (Battery) 28

* Trạng thái 5- Ắc quy vào tải tại đường dây DC 28

* Trạng thái 6 - Đường dây DC vào ắc quy 28

2.3.2 Kỹ thuật điều khiển 29

* Các loại điều khiển 30

* Bộ điều khiển tuyến tính 30

* Bộ điều khiển phi tuyến tính 30

2.3.3 Các phương pháp theo dõi điểm công suất tối đa 31

* Phương pháp điện áp không đổi 31

* Phương pháp xung dòng ngắn mạch 31

* Phương pháp điện áp mở 31

* Phương pháp dẫn điện tăng dần 31

* Phương pháp P&O 31

* Sự không nhất quán trong phân tích các phương pháp kiểm soát được sử dụng rộng rãi 32

2.4 Kết luận chương 2 33

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM 34

3.1 Giới thiệu 34

3.2 Kết quả mô phỏng 34

3.2.1 Trạng thái St-1 - Liên kết PV với tải tại đường dây DC 34

3.2.2 Trạng thái St-2 35

3.2.3 Trạng thái St-3 36

3.2.4 Trạng thái St-5 37

3.3 Thực nghiệm và phân tích 37

3.3.1 Bảng quang điện 38

3.3.2 Vi điều khiển 38

3.3.3 Khóa điện tử 41

3.3.4 Cảm biến dòng 42

3.3.5 Bảng kiểm soát 43

3.4 Kết luận chương 3 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48

Kết luận: 48

Kiến nghị: 48

Cải tiến: 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

Phụ lục 1: Chương trình thuật toán P&O cho vi điều khiển PIC16F876A 51

Phụ lục 2: Sơ đồ thiết kế mạch cho bộ biến đổi DC-DC linh hoạt 54

MỞ ĐẦU

1, Tính cấp thiết của đề tài:

Ngày nay đang có những phát triển vượt bậc trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật kéo theo hoạt động kinh tế, công nghiệp, giao thông vận tải, đời sống con người ngày càng phát triển Từ đó vấn đề đảm bảo an ninh năng lượng đặt ra cho các nước các thách thức không

hề nhỏ Đó không chỉ là trách nhiệm của Nhà nước, Chính phủ mà đó còn là trách nhiệm của toàn dân Năng lượng được sử dụng chủ yếu hiện nay ở nước ta là năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên), tiếp đến là thủy năng và một số ít năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời (NLMT) Quá trình sử dụng các nhiên liệu hóa thạch

để lấy năng lượng luôn kèm theo việc phát thải ra các chất độc hại như CO2, NOx…, là những chất gây hiệu ứng nhà kính và làm biến đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển cũng như sức khỏe con người Ngoài ra, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt khiến cho vấn đề đảm bảo an nình năng lượng ngày càng cấp thiết Qua

đó việc tìm và khai thác các nguồn năng lượng mới đang trở thành mục tiêu hàng đầu Các nguồn năng lượng tái tạo như: thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt…đã mở ra kỷ nguyên mới cho nhân loại

Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân Ở Việt nam, bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE Năng lượng mặt trời ở Việt nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trời có thể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt Tuy nhiên, điện mặt trời vẫn chưa dành được sự quan tâm đúng mực của Nhà nước và của nhân dân Nguyên do chủ yếu là do giá thành pin mặt trời vẫn còn cao Một phần do chi phí sản xuất pin mặt trời vẫn cao do sử dụng các nguyên liệu đắt tiền Không những thế, hiệu suất của pin năng lượng vẫn còn thấp, dẫn đến chi phí để sản xuất ra 1kW điện cao hơn nhiều so với việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch Hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều vào yếu tố như: nhiệt độ, bức xạ mặt trời… Làm thế nào để giảm thiểu các tác động tiêu cực để qua đó tăng cao hiệu suất của pin mặt trời từ đó giảm giá thành sản xuất điện

năng đảm bảo an ninh năng lượng Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên, tác giả chọn đề tài:

“Nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi linh hoạt cho nguồn năng lượng mặt trời nối lưới” để

nghiên cứu

2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài:

- Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất hệ thống linh hoạt pin năng lượng mặt trời

- Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống pin năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu, đề xuất các phương pháp nâng cao tính ổn định và hiệu quả hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời

3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng: nâng cao tính ổn định và hiệu suất hệ thống tấm pin mặt trời

- Phạm vi: nâng cao hiệu suất của bộ biến đổi linh hoạt cho hệ thống tấm pin mặt trời nối lưới

4, Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu Thiết kế mạch lực, mạch điều khiển bộ biến đổi DC-DC

- Nghiên cứu luật điều khiển

- Xây dựng mô hình mô phỏng kết quả mạch thiết kế

- Xây dựng mô hình pin năng lượng mặt trời

5, Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quát về hệ thống pin năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu các giải pháp nâng cao ổn định và hiệu suất hệ thống pin mặt trời nối lưới

6, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Đánh giá các kỹ thuật, thông số ảnh hưởng đến hiệu suất và tính ổn định của hệ thống pin năng lượng mặt trời, nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất và tính ổn định hệ thống pin năng lượng mặt trời Đề suất các kiến nghị, giải pháp nâng cao hiệu suất và ổn định cho hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới Do vậy đề tài mang tính khoa học và thực tiễn cao

7, Cấu trúc của luận văn:

- Chương 1 Tổng quan các bộ biến đổi DC-DC hai chiều nhiều đầu vào và đầu ra

- Chương 2 Thiết kế bộ biến đổi DC-DC linh hoạt

- Chương 3 Kết quả Kết quả mô phỏng và các giải pháp nâng cao hiệu suất và tính ổn định hệ thống pin năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU

NHIỀU ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA

1.1 Giới thiệu

Mặt trời đã có ích cho nhân loại theo nhiều cách hơn Năng lượng mặt trời với hình thức thụ động đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ Sau đó, năng lượng mặt trời đã được sử dụng để sưởi ấm nước cho mục đích gia đình Mặc dù những công dụng này, việc sử dụng năng lượng mặt trời tích cực cung cấp điện có thể sử dụng là một ý tưởng tương đối mới Vài thập kỷ trước, ý tưởng sử dụng năng lượng mặt trời cho các ngôi nhà năng lượng dường như là một suy nghĩ xa vời Nhưng tiến độ nhanh đã được thực hiện trong vài năm qua để biến ý tưởng này thành hiện thực và lựa chọn khả thi [1] Ngày nay hệ thống điện tử năng lượng quang điện mặt trời đã thay đổi hình ảnh sử dụng năng lượng mặt trời, bị phụ thuộc vào quá trình thay đổi ánh sáng theo chu kì vòng quay của trái đất Những hệ thống có thể được sử dụng trên nhiều ứng dụng khác nhau, ngay từ khi cấp nguồn cho điện thoại di động đến cung cấp năng lượng cho ngôi nhà của bạn Một yếu tố quan trọng khác cần xem xét là chi phí lắp đặt hệ thống quang điện này [2] Nó đã giảm mạnh qua các năm Trường hợp một hệ thống sẽ có chi phí trong phạm vi 12USD mỗi watt năng lượng được sản xuất vào năm 1988, bây giờ nó có giá bằng một phần 4 giá đó vào năm 2020 [3] Mặc dù tất cả các yếu tố trên làm cho năng lượng mặt trời dường như là một lựa chọn hấp dẫn, vẫn còn các vấn đề liên quan đến hiệu quả của các tấm quang điện và toàn hệ thống năng lượng này ảnh hưởng đến hệ thống điện

1.2 Bộ biến đổi năng lượng trong hệ thống phân phối điện

Sự đóng góp của các bộ biến đổi năng lượng trong các hệ thống phân phối điện vẫn còn được thảo luận khi chưa cải thiện khả năng kiểm soát, độ tin cậy, kích thước và hiệu quả của hệ thống Chỉ một phần ánh sáng mặt trời chiếu tới hệ thống PV được chuyển đổi thành điện hữu ích do các thành phần không hiệu quả và dễ bị hỏng được sử dụng trong hầu hết các hệ thống PV hiện nay [4] Chi phí cao và độ tin cậy thấp của bộ chuyển đổi điện trở thành rào cản nếu điện tử công suất được sử dụng làm trực tiếp, từng cái một, thay thế cho các thiết bị cơ điện hiện có Tuy nhiên, nếu toàn bộ phân phối điện hệ thống được thiết

kế như một hệ thống chuyển đổi có thể điều khiển, chi phí hệ thống tổng thể và độ tin cậy thực sự có thể cải thiện [5] Các hệ thống này bao gồm nhiều nguồn năng lượng chính và phụ, một số mức lưu trữ và dự phòng năng lượng, và nhiều hoạt động tải, tất cả giao tiếp thông qua bộ biến đổi năng lượng điện tử [6] Tất cả các nguồn năng lượng thay thế và tái tạo được giao tiếp với các hệ thống năng lượng hiện có thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất do các đặc tính động rất khác nhau của chúng Các sáng kiến chính sách và quy định [7] đã đảm bảo việc sử dụng năng lượng tái tạo hệ thống năng lượng từ cơ sở tiêu dùng đến các nhà máy tập trung, thúc đẩy sự bền vững và độc lập năng lượng toàn cầu Hệ thống phát điện phân tán dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo đã được xem xét bởi sự tăng trưởng theo cấp số nhân của cả hai tuabin gió và hệ thống phát điện quang điện

1.3 Vai trò của điện tử công suất trong các hệ thống năng lượng tái tạo

Khoảng 40% nhu cầu năng lượng của thế giới hiện đang được đáp ứng bằng năng lượng điện và tỷ lệ đó dự kiến sẽ tăng lên khi các quốc gia cắt giảm lượng khí thải cacbon

và thay đổi bằng các nguồn năng lượng tái tạo [8] Tất cả các hệ thống và sản phẩm liên quan đến chuyển đổi và kiểm soát dòng năng lượng điện đều liên quan đến năng lượng điện

tử trong hình 1.1 [9]

Hình 1.1 Hệ thống điện tử công suất với lưới điện, tải/nguồn, nguồn chuyển đổi và kiểm

soát Trong trường hợp hệ thống năng lượng tái tạo, cần phải có một bộ các thành phần điện

tử công suất khác nhau để chuyển đổi năng lượng từ một giai đoạn thành một giai đoạn khác vào lưới điện Điều này phải được thực hiện với hiệu quả cao nhất có thể trong khi duy trì chi phí thấp nhất có thể và để giữ một hiệu suất vượt trội Như đã thảo luận trong [3], có ba loại biến tần PV một pha Một sơ đồ khối chung được hiển thị trong hình 1.2 dưới đây Nó bao gồm mảng PV, biến tần PV, bộ điều khiển và lưới PV biến tần có thể là biến tần trung tâm, biến tần chuỗi hoặc biến tần tích hợp mô đun [10]

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát cho các hệ thống quang điện kết nối lưới một pha

1.3.1 Biến tần trung tâm

Về phía DC, biến tần trung tâm duy nhất được kết nối với nhà máy PV (lớn hơn hơn 10kW) được sắp xếp theo nhiều chuỗi song song Những biến tần này tạo ra hiệu quả cao

và chi phí cụ thể thấp Tuy nhiên, điều kiện không khớp mô-đun và điều kiện bóng râm một

phần làm giảm năng suất năng lượng Đó là hạn chế lớn nhất của biến tần trung tâm dẫn đến việc toàn bộ nhà máy PV không hoạt động

1.3.2 Bộ biến tần chuỗi

Sự sắp xếp của nhà máy PV tương tự như của biến tần trung tâm Đây, mỗi chuỗi PV được gán cho một biến tần được chỉ định, được gọi là biến tần chuỗi Điều này rất có lợi khi theo dõi điểm sức mạnh tối đa của mỗi chuỗi PV Điều này làm tăng năng suất năng lượng

1.3.3 Biến tần tích hợp điều chế

Hệ thống này sử dụng một biến tần cho mỗi mô-đun Cấu trúc liên kết này tối ưu hóa khả năng thích ứng của biến tần với các đặc tính PV vì mỗi mô-đun có riêng hệ thống theo dõi điểm công suất tối đa Mặc dù biến tần này tối ưu hóa năng suất, nhưng nó có hiệu suất thấp hơn biến tần chuỗi

Để tạo ra lượng điện lớn, các mô đun PV được kết nối cùng nhau tạo thành mảng Mảng này được kết nối với các thành phần hệ thống chẳng hạn như bộ biến tần để chuyển đổi nguồn DC được sản xuất thành điện xoay chiều để phục vụ người tiêu dùng Biến tần

PV này cho các hệ thống PV thực hiện nhiều chức năng

• Chuyển đổi nguồn DC được tạo thành nguồn AC tương thích với tiện ích

• Chứa các chức năng bảo vệ theo dõi các kết nối lưới và PV nguồn cũng như có khả năng cô lập bảng PV nếu xảy ra sự cố lưới

• Theo dõi các điều kiện đầu cuối của (các bảng) mô đun PV và tích hợp theo dõi điểm công suất tối đa để tối ưu hóa việc thu năng lượng

1.3.4 Đánh giá tài liệu cho bộ biến đổi DC-DC

* Bộ DC-DC đầu ra kép đầu vào đơn

Nhiều ứng dụng yêu cầu một bộ biến đổi với khả năng dòng điện hai chiều để xử lý năng lượng chảy ra hoặc đến nguồn Trọng tâm chính của đề tài này là bộ biến đổi với cấu hình cho phép dòng điện hai chiều này Các ứng dụng chính của bộ biến đổi dc-dc là trong các thiết bị sạc/xả pin, nguồn cung cấp năng lượng liên tục, xe điện hybrid và năng lượng tái tạo [11]

* Bộ biến đổi dc-dc đa cấp hai chiều

Trong [12], nhóm tác giả đề xuất một chuyển đổi năng lượng dc-dc đa cấp hai chiều

hệ thống với nhiều nguồn dc Trong đó, mức đầu ra có thể thay đổi gần như liên tục mà không có bất kỳ thành phần từ tính Một trong những lợi ích chính của việc hệ thống không

có từ tính là hoạt động nhiệt độ rất cao là có thể so sánh đến các giải pháp thông thường

* Bộ biến đổi công suất 16 pha không cảm biến hai chiều xen kẽ bộ biến đổi

DC-DC cho ứng dụng xe hybrid

Trong [13], các tác giả đã đề xuất một dc-dc hai pha xen kẽ với bộ biến đổi được phát triển với các bộ lọc đầu vào/đầu ra nhỏ hơn, đáp ứng được nhanh hơn và ứng suất thiết bị thấp hơn so với thiết kế thông thường, cho các ứng dụng xe hybrid Ở đây bộ biến đổi được

kết nối với bộ tụ điện và ắc quy trong một hệ thống lưu trữ năng lượng đa nguồn của một chiếc xe hybrid Trong trường hợp bộ biến đổi xen kẽ nhiều pha một vòng điều khiển trong mỗi pha được yêu cầu tránh dòng điện mất cân bằng giữa các pha Điều này làm tăng chi phí hệ thống và kiểm soát độ phức tạp Bài viết này đề xuất hoạt động của bộ biến đổi không liên tục chế độ dẫn (DCM) để giảm thiểu dòng điện mất cân bằng và loại bỏ kiểm soát hiện tại vòng lặp trong từng giai đoạn

* Bộ chuyển đổi buck DC-DC hai chiều với đầu ra kép đầu vào đơn

Kết quả tài liệu này sẽ làm một so sánh giữa một giải pháp trực tiếp và đề xuất trong [15] Một bộ biến đổi buck đầu ra đơn, đầu vào đơn thông thường bao gồm thiết bị chuyển mạch và diode cũng như các yếu tố điện cảm và điện dung Các giải pháp trực tiếp cho bộ biến đổi đầu ra kép, đầu vào đơn đang sao chép cách sắp xếp thông thường Điều này hàm

ý nhân đôi số lượng thành phần đến bộ biến đổi đầu ra hơn đầu vào

Từ hình 1.3, rõ ràng giải pháp trực tiếp bao gồm bốn công tắc và hai cuộn cảm [14] ở đây nhóm tác giả đề xuất một cấu trúc liên kết chuyển đổi đầu ra kép một cuộn cảm có khả năng độc lập điều chỉnh hai điện áp đầu ra Bên cạnh đó sử dụng bốn công tắc nguồn Điều này có lợi do giảm tổn hao của một cuộn cảm

Một cải tiến hơn nữa được thực hiện trong [15] trong đó bộ biến đổi dc-dc ba công tắc với hai đầu ra được trình bày Cấu trúc liên kết được đề xuất trong [13] được hiển thị trong hình 1.4 (a) cho cả hai chiều và ứng dụng một chiều của bộ biến đổi buck đầu ra kép đầu vào đơn Nó có thể nhận thấy rằng trong các mạch này, một công tắc nguồn và điốt bị loại

bỏ khi so sánh với giải pháp trực tiếp như trong hình 1.4 (b)

* Những phương pháp cho bộ biến đổi hai chiều

Cấu trúc mạch này đề xuất một bộ biến đổi dc-dc đầu ra kép đầu vào hai chiều sử dụng bốn khóa công suất cùng với hai bộ lọc thông thấp Bộ biến đổi này có 16 trạng thái chuyển mạch có thể là sự kết hợp của bốn khóa công suất Một chi tiết giải thích về cấu trúc liên kết này sẽ được đưa ra trong Chương 2

a) Bộ biến đổi buck DC-DC hai chiều với hai đầu ra một đầu vào

(b) Bộ biến đổi buck DC-DC đơn hướng với hai đầu ra một đầu vào

Hình 1.3 Giải pháp trực tiếp cho dc-dc hai chiều và một chiều bộ biến đổi buck với đầu

ra kép

(a) Bộ biến đổi buck DC-DC hai chiều với hai đầu ra một đầu vào

(b) Bộ biến đổi buck DC-DC đơn hướng với hai đầu ra một đầu vào Hình 1.4 Giải pháp đề xuất cho DC-DC hai chiều và một chiều bộ biến đổi buck với đầu

ra kép

1.4 Các cấu trúc hệ thống pin mặt trời

Với nỗ lực không ngừng để cải tiến hệ thống, nhiều nghiên cứu đã được sử dụng để tìm ra cấu trúc tốt nhất để làm cho các hệ thống quang điện hoạt động tốt hơn về độ lớn công suất và độ tin cậy Hiện nay được kết hợp các công nghệ phù hợp như các hệ thống phân tán thông minh được kết hợp với các bộ biến đổi phân tán, tạo thành một trong những

giải pháp hứa hẹn cho các hệ thống năng lượng tái tạo Ngoài ra, nghiên cứu của chúng tôi

sẽ tập trung vào cơ sở vật chất của các hệ thống năng lượng siêu nhỏ có tiềm năng tích hợp tốt với hệ thống điện quốc gia Cần một hệ thống nguồn nhân lực khi liên quan đến việc lắp đặt hệ thống công suất cao hơn, các vấn đề phát sinh theo một cách khác Trên thực tế, việc bảo trì và theo dõi sản xuất được cung cấp bởi các đội chuyên trách, điều này không phải lúc nào cũng xảy ra đối với các công trình lắp đặt nhỏ và siêu nhỏ Chúng tôi cũng đã đề cập đến khả năng chọn đường dây DC để kết nối cho các mô đun phát điện Một sự phát triển có thể xảy ra là cấu trúc liên kết song song trên đường dây điện áp một chiều được thể hiện trong hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống năng lượng siêu nhỏ kết nối song song

Hệ thống không còn được kết nối với một chuỗi các mô-đun PV mà trực tiếp đến đầu

ra của mô-đun PV Sự phát triển này giữ lại tất cả các ưu điểm của hệ thống này, đồng thời tăng mức độ tùy biến của theo dõi điểm năng lượng tối đa (MPPT) Vì vậy, nó không còn

là một chuỗi các mô-đun PV hoạt động tại MPPT của nó mà là từng mô-đun PV Ngoài ra,

sự linh hoạt hơn này cho phép kiểm soát hoạt động tốt hơn và phát hiện lỗi nhanh hơn cho toàn hệ thống Ưu điểm chính của hệ thống song song để nâng cấp trong trường hợp mà chúng ta quan tâm ở đây là thực tế là có thể sử dụng đường dây điện áp một chiều trong các kiến trúc phân tán này, như cũng đã được đề cập trong luận án của họ [16-18] Cấu trúc phân tán là rất thuận lợi cả từ quan điểm tối ưu hóa và mạnh mẽ đối với các nhược điểm của các cấu trúc cổ điển khác Nó cũng là một ứng dụng mô-đun cho phép nhân rộng và đa

dạng hóa công nghệ, ví dụ như sự kết hợp của một số loại cảm biến quang điện khác nhau với các nguồn tái tạo khác nhau như gió, thủy lực, khí nén, sinh khối …

Hình 1.5 cho thấy cấu trúc này có thể có các ưu điểm trong quá trình biến đổi và lưu trữ năng lượng Đây là một đường dây điện áp một chiều có thể đạt đến 1kV Tất cả các phần tử chuyển đổi bảng điều khiển được kết nối song song trên đường dây này Hiện tượng nhạy cảm với xung điện từ của sét đánh trên đường dây DC được giảm thiểu bằng cách sử dụng cáp xoắn hoặc rất gần nhau, chỉ xuất hiện những bề mặt rất nhỏ tiếp xúc với từ trường Biến tần được kết nối trên đường dây DC sẽ không quản lý việc điều khiển tìm điểm công suất cực đại (MPP) tổng thể, vì mỗi bảng điều khiển được quản lý cục bộ một cách tối ưu Trường hợp một số biến tần được kết nối song song để tăng công suất hệ thống chuyển đổi năng lượng đáp ứng công suất từ các nguồn phân tán Việc sử dụng điện áp cao có thể làm giảm tiết diện của dây cáp, điều này tạo nên độ lợi số lượng bằng đồng (hoặc nhôm nếu cần) Nguyên tắc điện áp cao có thể được áp dụng cho điện áp lên đến hơn 1kV Một số nghiên cứu có kế hoạch đẩy giới hạn lên 8kV [19], đặc biệt là đối với việc truyền năng lượng do tuabin gió tạo ra Nâng cao độ ổn định của bảng điều khiển cho tưng nguồn riêng độc lập Từ các phân tích đưa ra cho heeeh thống này thì có thể thấy những yếu tố có thể thực hiện trong quá trình chuyển đổi năng lượng và truyền năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo đến lưới điện như sau:

- Điện áp đầu ra không đổi của các bộ biến đổi nên có thể đấu nối trực tiếp vào bộ biến tần và hệ thống biến tần

- Có thể sử dụng điện áp một chiều ở đầu ra của bộ biến đổi Điện áp trên đường dây cao dẫn đến tiết kiệm được dây dẫn

- Các bộ DC-DC có thể điều khiển từ xa và tương thích với giao tiếp truyền thông trên đường dây điện một chiều (PLC)

- Bộ biến đổi có thể cung cấp cục bộ MPPT, điều này loại bỏ tính năng này của bộ biến tần

Mặt khác, một số vấn đề nhất định là cố hữu hệ thống này:

- Điện áp cao liên tục tiềm ẩn những rủi ro đáng kể về hỏa hoạn, điều này đòi hỏi một thiết bị bảo vệ phù hợp

- Vật liệu cách nhiệt phải gọn gàng

Hệ thống này sử dụng đường dây điện áp DC cao sẽ cho phép, với sự thích ứng thích hợp, việc cung cấp năng lượng từ một số nguồn như quang điện, gió, đến bộ biến tần đầu

ra Mặc dù kỹ thuật này đã được mô tả cách đây nhiều năm, nhưng việc tạo ra điện áp DC cao với hiệu suất tốt là điều không dễ dàng, đặc biệt là đối với các bộ biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào 10 lần

Giải pháp sơ đồ nối bộ biến đổi nối tiếp: Sự cách ly điện của đầu ra cho phép một số

bộ biến đổi DC-DC được kết nối nối tiếp bằng cách chỉ cần kết nối đầu ra tích cực của một

bộ chuyển đổi với đầu vào âm của bộ biến đổi kia (Hình 1.6) Bằng cách này, các đầu ra điện áp không tiêu chuẩn có thể được tạo ra, tuy nhiên, dòng điện đầu ra của bộ biến đổi

điện áp cao đảm bảo ổn định Nếu điện áp đầu ra yêu cầu của bộ biến đổi lớn hơn điện áp danh định của bộ biến đổi tiếp theo, các đầu ra của cả hai bộ biến đổi có thể được kết nối nối tiếp để đạt được điện áp đầu ra mong muốn Sơ đồ này khuyến cáo nên sử dụng hai bộ biến đổi của cùng một mô hình cho ứng dụng này Sự cách ly cao của các đầu ra của bộ biến đổi cho phép nhiều bộ biến đổi được kết nối nối tiếp bằng cách chỉ cần kết nối đầu ra tích cực của một bộ biến đổi với cực âm của bộ biến đổi khác như thể hiện trong hình 1.6 Đối với cách lắp nối tiếp này, người thiết kế cũng phải đảm bảo rằng tổng điện áp đầu ra không vượt quá điện áp đánh thủng đầu ra của đầu ra đối với mỗi bộ biến đổi

Hình 1.6 Kết nối nối tiếp của các bộ biến đổi: a) đầu vào và đầu ra nối tiếp, b) đầu vào

song song và đầu ra nối tiếp Khi các bộ biến đổi được kết nối nối tiếp, nên lọc bổ sung bên ngoài vì các mạch chuyển đổi của bộ biến đổi không được đồng bộ hóa Có thể xảy ra sự tổng hợp pha của điện áp gợn sóng của hai bộ biến đổi dẫn đến tần số nhịp tương đối cao

Sơ đồ nối bộ biến đổi theo tầng: Về mặt lý thuyết, mức tăng điện áp của bộ biến đổi DC-DC tích lũy cảm ứng có xu hướng đến vô cùng trong một chu kỳ nhiệm vụ đóng mở các khóa điện tử Trong thực tế, độ lợi này bị giới hạn bởi điện trở nối tiếp của các thành phần (cuộn cảm và tụ điện) Mức tăng này không thể, hoặc độ khó, vượt quá 5 cho một chu

kỳ nhiệm vụ cao Các thông số kỹ thuật áp đặt mức tăng điện áp khoảng 25 Một bộ biến đổi tăng áp DC-DC đơn giản không thể đạt được mức tăng này Để có được độ lợi điện áp này, cần sử dụng cách sắp xếp theo tầng (Hình 1.7)

Hình 1.7 Kết nối của các bộ biến đổi theo tầng

Sơ đồ nối bộ biến đổi song song: Trong các ứng dụng tăng công suất, bộ biến đổi

DC-DC thường được kết nối song song (Hình 1.7) để tạo thành một hệ thống phân phối điện công suất lơn hơn và tạo ra dòng cao hơn Chế độ phân phối này thường được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu dòng điện cao Điện áp cũng có thể rất thấp, ví dụ như trong trường hợp nguồn cung cấp bộ vi xử lý So với một bộ biến đổi công suất cao duy nhất, song song cho phép, bằng cách phân bổ công suất đồng nhất, để giảm ứng suất phải chịu bởi chất bán dẫn và do đó cải thiện độ tin cậy, độ bền và giai đoạn chuyển đổi tuổi thọ Cấu trúc này cũng cung cấp một mức độ tự do, về tính linh hoạt và tính mô đun, so với một bộ biến đổi thông thường

Hình 1.8 Kết nối các bộ biến đổi song song

Các bộ biến đổi truyền năng lượng không thể có các đặc tính điện hoàn toàn giống nhau, vì sự phân tán các đặc tính trên các thành phần điện tử cấu thành chúng và sự khác biệt nhỏ giữa các kết nối Trong hoạt động, điều này gây ra sự mất cân bằng tự nhiên về sự phân bố dòng điện giữa mỗi bộ biến đổi Do đó, xác suất mà một hoặc nhiều bộ biến đổi hoạt động với dòng điện vượt quá so với các bộ biến đổi khác là rất lớn Hiện tượng này dẫn đến ứng suất nhiệt đáng kể trong các chất bán dẫn chịu ứng suất cao nhất, do đó độ bền,

độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống bị giảm, làm mất đi những ưu điểm ban đầu của cấu trúc

Để khắc phục vấn đề này và đảm bảo sự phân bố đồng nhất của dòng điện và của nguồn điện, điều tiết dòng điện là không thể thiếu trong các cấu trúc song song này [10]

Sau khi giới thiệu các nguồn năng lượng tái tạo để biến đổi thành điện năng, tác giả

đã xem xét trong chương này cấu trúc song song của bộ biến đổi tăng áp DC điện áp cao

để tối ưu hóa việc quản lý biến đổi năng lượng các nguồn tái tạo bằng giao tiếp đường dây điện (PLC) Các cấu trúc khác nhau đã được trình bày xem xét khả năng cải thiện hiệu quả của hệ thống Hệ thống này có ưu điểm là giao tiếp giữa các bộ biến đổi thông minh trong quá trình truyền năng lượng Nghiên cứu về các phương thức giao tiếp này là chủ đề của chương này

* Cấu trúc phân tán để quản lý và giám sát năng lượng trên đường dây DC bằng PLC

Đầu tư và khai thác mạng lưới phân phối điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió, sóng biển, sinh khối là hướng phát triển công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả và tính ổn định của tất cả các hệ thống chuyển mạch và cung cấp điện Với cấu trúc phân phối điện giá cả phải chăng này, tích hợp lưới điện thông minh là một lựa chọn mới

để tối ưu hóa sản lượng của từng nguồn điện Cách tiếp cận này đòi hỏi phải bổ sung vào

hệ thống các công cụ liên lạc nội bộ và liên lạc với một bộ điều khiển trung tâm Một giải pháp kỹ thuật là truyền thông đường dây điện một chiều (PLC) sử dụng cơ sở hạ tầng đường dây điện hiện có cho mục đích truyền thông Khả năng quản lý mới này cải thiện hiệu suất

và tính ổn định trong suốt quá trình chuyển giao năng lượng Trong những năm gần đây, các khái niệm cung cấp năng lượng mới đã được đưa ra Một trong số chúng mới được giới thiệu trong hệ thống năng lượng tái tạo là khái niệm lưới điện thông minh [13-15] Ngoài

ra, hiện nay lĩnh vực kỹ thuật điện đang phải đối mặt với những thách thức to lớn vì mối quan tâm ngày càng tăng đối với năng lượng tái tạo không liên tục đặt ra một mô hình hoạt động hoàn toàn mới Việc sử dụng các nguồn này phải được thực hiện hợp lý để đảm bảo hoạt động an toàn, hiệu quả, tự chủ và bền vững Đồng thời, các nguồn năng lượng phân

bố được kết nối với nhau tạo thành lưới điện thông minh để cung cấp năng lượng đầy đủ

và đáng tin cậy Xác định khoảng cách được thực hiện để cung cấp năng lượng cho điện được sử dụng Nhiều nguồn năng lượng trong đề xuất này thuộc loại liên tục và có thể được biến đổi trước khi thực hiện các phép biến đổi DC-AC Với những khuyến khích mạnh mẽ

về năng lượng xanh, tính sẵn có và những tiến bộ trong công nghệ lưu trữ, việc phát điện trong đề xuất lưới điện thông minh này không chỉ áp dụng cho các mạng lưới phân phối bằng than, khí và đốt, mà còn là động lực cho bất kỳ ai muốn tự sản xuất điện Truyền dữ liệu cũng được yêu cầu trong khái niệm lưới điện thông minh được đề xuất dựa trên hệ thống phân phối điện áp cao một chiều từ các nguồn tái tạo Việc truyền dữ liệu là cần thiết cho các chức năng và ứng dụng cần thiết sẽ được tích hợp trong hệ thống, ví dụ như để giám sát bộ biến đổi DC-DC song song với quản lý và bảo vệ mất điện Vì lý do này, PLC

là một giải pháp thay thế khả thi

Một câu trả lời khả thi cho những thách thức này có thể là giải pháp được đề xuất trong Hình 1.5 Trong hình này được trình bày ở phần trên, một hệ thống điện bao gồm nhiều nguồn khác nhau như pin mặt trời với các công nghệ khác nhau, tuabin gió và hệ thống

hoặc bất kỳ nguồn điện một chiều nào khác được kết nối với nhau bằng năng lượng khí nén

và lưu trữ dòng điện một chiều(CAES); Một nhà máy điện khu vực bao gồm nhiều máy phát điện nhỏ cho các đường dây nội bộ, và một cấu trúc tổng thể chi phí thấp [16,17] Cấu trúc này cho thấy công suất trên đường điện áp DC được phát ra từ các bộ chuyển đổi DC-

DC hiệu suất cao Trong mạng phân phối AC, một bộ biến đổi DC-AC lớn giao tiếp giữa đường dây DC và mạng AC Do đó, hệ thống đường dây DC được thiết kế để thay thế nhánh trung thế (MV) truyền thống của đường dây trên không và phân phối AC hạ áp bằng

hệ thống phân phối một chiều Trong mạng phân phối này, MPPT nên được tích hợp trong mỗi bộ biến đổi DC-DC Ngoài ra, các MPPT này tối ưu hóa hiệu suất từ mỗi nguồn và hiệu suất tổng thể của MPPT tăng theo cấu trúc trung tâm Trong công nghiệp, hệ thống phân phối và sản xuất được kết nối trên đường dây DC được sử dụng rộng rãi và phát triển

để thay thế nguồn AC thành DC Hơn nữa, có một lợi thế của điện áp DC cho lưới điện thông minh là không cần phải đồng bộ hóa để phân quyền

Trong hệ thống xoay chiều kết hợp với đường dây DC trung gian, chất lượng của dòng điện xoay chiều giảm ở đầu ra của máy phát Điều này có thể được cải thiện bằng cách giảm

số nhánh của lưới điện trung thế MV và giảm độ dài của đường thẳng Đường dây trên không có thể được thay thế bằng cáp hạ thế ngầm Điều này đã trực tiếp dẫn đến việc giảm

số lượng lỗi thường xảy ra trong mạng MV Nhờ đó, chất lượng và độ tin cậy của lưới điện phân phối được cải thiện, giảm thiệt hại kinh tế do tăng chất lượng điện Đường dây DC với cấu hình của hệ thống truyền thông được đề xuất khi thực hiện giao tiếp với PLC Do

đó, cấu trúc và hệ thống của lưới điện HVDC có liên quan đến một khu vực địa lý vật lý cụ thể Điều này sẽ mang lại những hạn chế cho bộ điều khiển, chẳng hạn như độ tin cậy của chuỗi truyền thông, vòng lặp PLC được chèn vào Ngoài ra, các bộ nghịch lưu trong đường dây tạo ra sóng hài và nhiễu trên kênh truyền Tất cả những điều này, cùng với một số tính năng được thực hiện trong lưới nội dung để xác định các điều kiện biên và yêu cầu tối thiểu đối với PLC Như vậy, chúng ta có thể tóm tắt rằng các mục tiêu chính của việc phát triển

hệ thống phân phối và tiếp tục cho lưới điện thông minh là lợi nhuận và độ tin cậy của việc phân phối điện Giao tiếp phổ biến đóng một vai trò quan trọng trong lưới điện thông minh

và khái niệm HVDC đưa ra một cách tiếp cận mới để triển khai lưới điện thông minh [18] Cấu trúc liên kết mô-đun song song được thể hiện trong hình 1.9 Cấu trúc này không còn được kết nối với một chuỗi các mô-đun PV mà trực tiếp đến đầu ra của mô-đun PV Sự tiến hóa này giữ lại tất cả các ưu điểm của cấu trúc "hàng", đồng thời tăng mức độ tùy biến của MPPT Vì vậy, nó không còn là một chuỗi các mô-đun PV hoạt động tại MPPT của nó

mà là từng mô-đun PV Do đó, tăng năng suất được mong đợi đối với cấu trúc "hàng" Ngoài ra, sự tùy biến lớn hơn này cho phép giám sát tốt hơn và phát hiện lỗi nhanh hơn

Hình 1.9 Mạch digram chính của một mặt phẳng quang điện hoạt động theo phương pháp

đã nêu

Với các hệ thống vừa và lớn hơn, thực sự có thể thuận lợi khi thực hiện MPPT ban đầu bằng bộ biến đổi DC-DC cho mỗi chuỗi PV Các đầu ra của chúng được kết nối với một đường dây DC, từ đó cổng nghịch lưu đồng bộ được thực hiện bởi một biến tần trung tâm Nếu điện áp danh định của thanh cái DC này được tiêu chuẩn hóa, thì cũng có khả năng tích hợp các tổ máy phát điện khác (chẳng hạn như hệ thống thủy lực mô-đun hoặc tuabin gió nhỏ) Hình 1.10 minh họa khái niệm chung của một hệ thống như vậy

Như thể hiện trong hình 1.10, thông thường có một số bộ biến đổi DC-DC được kết nối với đường dây DC ở phía máy phát điện, trong khi phía lưới điện của một bộ biến tần trung tâm sẽ cấp nguồn cho lưới điện Biến tần phải lấy chính xác lượng điện từ đường dây

DC được cung cấp đầy đủ cho phía bên của máy phát điện

Các trạng thái hoạt động khác nhau xảy ra khi hệ thống khởi động hoặc khi có thêm nguồn điện ở phía máy phát biến tần có khả năng xử lý Các điều kiện hoạt động này được quản lý như thế nào? Các yêu cầu về tính ổn định, khả năng lựa chọn, khả năng tương thích với nhà sản xuất độc lập và thiết kế hệ thống đơn giản, khó có thể đáp ứng được bởi hệ thống kỹ thuật số và thiết bị điều khiển trung tâm Các điều kiện hoạt động khác nhau phải được phát hiện bởi mỗi thành phần liên quan theo một cách chủ động Thông tin cần thiết

sẽ được trích xuất từ việc đánh giá mức điện áp của đường dây DC thực tế Hình 1.10 cho thấy hoạt động của các phạm vi được xác định cho mục đích này

Điểm khó chính của cấu trúc này là tỷ lệ độ cao lớn giữa điện áp đầu ra của các kiểu mô-đun PV, các máy phát điện khác nhau và điện áp cần thiết cho việc cung cấp trên đường dây DC phân phối Thật vậy, đối với một bộ biến đổi DC-DC không cách ly, tỷ lệ chênh lêch điện áp cao càng cao thì tổn thất càng lớn Khi tỷ lệ này quá quan trọng (> 8 nói chung), cần phải sử dụng các cấu trúc biệt lập hoặc các tầng của bộ biến đổi Trong trường hợp này,

tỷ lệ độ cao cần thiết gần bằng 10, điều này hạn chế hiệu quả của bộ chuyển đổi DC-DC và hạn chế của cấu trúc liên kết này

Hình 1.10 Khái niệm chung về hệ thống phát điện phân tán

Một trong những ưu điểm chính của hệ thống song song HVDC là khả năng điều khiển công suất truyền nhanh chóng Việc điều khiển công suất trong hệ thống HVDC dựa trên điều khiển dòng điện hoặc điện áp, đồng thời giảm thiểu tổn thất trên đường dây DC, điều quan trọng là phải duy trì điện áp không đổi và thiết lập dòng điện mong muốn trên đường dây DC Dòng từ bộ DC-DC đến bộ biến tần để có được công suất mong muốn chạy trong dòng một chiều bằng cách thay đổi điện áp tại các bộ biến đổi Phương pháp này rất quan trọng đối với việc điều chỉnh điện áp trong hệ thống HVDC để đáp ứng việc kiểm tra việc

sử dụng cách điện tối ưu và như chúng ta đã nhận thấy rằng điện áp trên đường dây một chiều giảm so với đường dây xoay chiều do thiếu điện áp phản kháng

Giám sát việc truyền tải năng lượng với MPPT từ các nguồn tái tạo riêng biệt đáng tin cậy, an toàn hơn, hiệu quả hơn và tiết kiệm Tuy nhiên, những phụ tải tiêu dùng được lắp đặt, nhu cầu điện cao điểm sẽ lớn đến mức vượt quá công suất 3kW của một hệ thống điện Giới hạn thực tế đối với hệ thống truyền tải năng lượng tái tạo là cao là điện áp đầu ra của

nó đến biến tần nói chung là thấp, ngoài ra đường kính của dây trở nên quá lớn và cồng kềnh để xử lý Đối với hệ thống 60V, 50 ampe có nghĩa là tiêu thụ điện năng gần 3kW, rõ

ràng là cần phải có điện áp nguồn cao hơn để đáp ứng nhu cầu trong tương lai trên 3kW Không vượt quá giới hạn 50 ampe, 400V được sử dụng 400V đã được thống nhất quốc tế

về điện áp tối đa có thể được sử dụng an toàn trong hệ thống xe thông thường mà không cần bảo vệ bổ sung và hệ thống 400V cũng có khả năng cung cấp tới 19 kW mà không vượt quá giới hạn hiện tại là 50 ampe của dây dẫn Cấu trúc chung của hệ thống điện 400VDC được thể hiện trên hình 1.11

Hình 1.11 Hệ thống song song được tích hợp hệ thống PLC

Phần này trình bày phần cứng đơn giản của kiến trúc phân tán dựa trên các yêu cầu

kỹ thuật và hiệu suất, kiến trúc PLC được đề xuất cho dòng HVDC Các kỹ thuật LC thương mại và các phương pháp báo hiệu đặc trưng được sử dụng Các liên kết mạng HVDC được khuyến nghị và đánh giá bằng cách đáp ứng các yêu cầu đặt ra cho ứng dụng

đó Khoảng cách giữa các phần tử lưới được đánh giá bằng phân tích lý thuyết và kiểm tra truyền dữ liệu thực tế Dựa trên bộ DC-DC được tối ưu hóa kết hợp các phép biến đổi giao diện, một kiến trúc mạng dựa trên PLC cho các hệ thống đường dây HVDC để đáp ứng tất cả các yêu cầu này Lưu ý rằng bước tự kiểm tra cũng có thể được thêm vào trình tối ưu hóa, nhưng chỉ những cải tiến mới của PLC được mô tả trong phần này, các tính

năng chuyển đổi công suất, với các thuật toán MPPT của chúng

Hệ thống PLC được lắp đặt trong các đường dây HVDC sử dụng mạch giao tiếp phù hợp được sử dụng để cách điện và trở kháng giữa bộ biến đổi DC-DC và lưới điện Có thể xem hệ thống PLC như một bộ phận bổ sung của mỗi bộ biến đổi, mà không cần sửa đổi cấu trúc cơ bản của nó Tuy nhiên, hai bước chính được điều khiển bởi một bộ điều khiển giao diện ngoại vi vi điều khiển (PIC) chung, giả định cả chức năng điều khiển và theo dõi chủ-tớ của bộ điều khiển Hệ thống này được yêu cầu để liên lạc trong các hệ thống điện nhỏ và siêu nhỏ, chẳng hạn như đọc từ xa, điều khiển và tắt báo cháy/chữa cháy Hệ thống được thiết kế với bộ điều chế kỹ thuật số [19] để giảm khối lượng công việc của bộ điều khiển chính của bộ biến đổi DC-DC-PLC Đây là hai bước độc lập và một đầu ra điều khiển duy nhất giúp giảm đáng kể chi phí của toàn bộ hệ thống

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương này trình bày nội dung cơ bản về các hệ thống năng lượng tái tạo và ảnh hưởng của các bộ biến đổi công suất điện tử trong toàn hệ thống Thảo luận một số mạch và giải pháp cho bộ biến đổi hai chiều, nhiều cổng Thảo luận một số cấu trúc của hệ thống năng lượng tái tạo có thể tích hợp lưới điện thông minh

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC LINH HOẠT

2.1 Giới thiệu

Chương này phân tích sự đóng góp của các bộ biến đổi năng lượng trong các hệ thống phân phối điện vẫn còn được thảo luận khi chưa cải thiện khả năng kiểm soát, độ tin cậy, kích thước và hiệu quả của hệ thống Chỉ một phần nhỏ ánh sáng mặt trời chiếu tới hệ thống PV được chuyển đổi thành điện hữu ích do các thành phần không hiệu quả và dễ bị hỏng được sử dụng trong hầu hết các hệ thống PV hiện nay [20] Chi phí cao, thiết bị cồng kềnh và độ tin cậy thấp của bộ biến đổi sử dụng các thiết bị cơ điện là hạn chế do công nghệ trước đây, với công nghệ hiện nay các thiết bị điện tử công suất đã cải thiện được các nhược điểm nêu trên Hơn nữa, có thể toàn bộ phân phối điện hệ thống được thiết kế như một hệ thống chuyển đổi có thể điều khiển, chi phí hệ thống tổng thể và độ tin cậy thực sự có thể cải thiện [21] Các hệ thống này bao gồm nhiều nguồn năng lượng chính và phụ, một số mức lưu trữ và dự phòng năng lượng và nhiều hoạt động tải, tất cả giao tiếp thông qua bộ biến đổi năng lượng điện tử [22]

Tất cả các nguồn năng lượng thay thế và tái tạo được giao tiếp với các hệ thống năng lượng hiện có thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất do các đặc tính động rất khác nhau của chúng Các giải pháp chính sách và quy định [23] đã đảm bảo việc sử dụng năng lượng tái tạo hệ thống năng lượng từ cơ sở tiêu dùng đến các nhà máy tập trung, thúc đẩy

sự bền vững và độc lập năng lượng toàn cầu Hệ thống phát điện phân tán dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo đã được xem xét bởi sự tăng trưởng theo cấp số nhân của cả hai dạng nguồn tuabin gió và hệ thống phát điện quang điện Trong nội dung bài báo sẽ đưa ra giải pháp tích hợp linh hoạt từ các bộ biến đổi có một chức năng trong hệ thống

2.2 Bộ biến đổi dc-dc hai chiều nhiều cổng

Bộ biến đổi được đề xuất trong bài báo là bộ biến đổi đầu ra kép đầu vào kép trong từng chế độ Bộ biến đổi này được phát triển và tích hợp từ các bộ biến đổi MCB [24] và hai chiều Buck-Boost Hình 2.1 cho thấy sơ đồ mạch của sự kết hợp này

Hình 2.1 Đề xuất bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Có bốn khóa S1, S2, S3 và S4 Một biến nhị phân được liên kết với mỗi công tắc điện Điều này cung cấp tổng cộng 16 trạng thái biến đổi phát sinh từ sự kết hợp của bốn khóa Nhiều trạng thái trong số này bị cấm Một trạng thái bị cấm khi nó tạo ra một tình huống ngắn mạch hoặc một trong đó các khóa điện tử sẽ phải hấp thụ (hoặc tiêu tan) năng lượng cảm ứng ngay lập tức Do đó cần tránh các trạng thái đó Các trạng thái chuyển mạch được đưa ra trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các trạng thái liên kết thu được với các trạng thái của công tắc nguồn

bộ biến đổi MCB-RS, dựa trên các công cụ biến đổi MCB mô tả ở trên Như vậy, sơ đồ của

bộ biến đổi MCB-RS cho thấy hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp L1, L2 cùng mạch từ tương

ứng với các điện cảm rò rỉ của mình Lf1 và Lf2, ở giữa hai cuộn dây được đưa vào mạch phục hồi bao gồm một điốt D1 và một tụ điện C phục hồi

Trong bộ biến đổi này, tụ điện C được sạc bằng năng lượng rò rỉ trong điện cảm L1

(Lf1) và năng lượng điện dung ban đầu của tụ điện thông qua điốt D1 Năng lượng sẽ được đảm bảo lưu trữ trong điện dung C khi khóa chuyển mạch chuyển trạng thái từ đóng sang

mở, do đó sẽ dẫn đến sự gia tăng điện áp trên tụ điện VC Năng lượng được tích lũy trong

tụ C sẽ được truyền đến tải khi D1 mở trong quá trình chuyển đổi

Hình 2.3 Sơ đồ bộ biến đổi MCB với mạch phục hồi RS

Việc thực hiện mô phỏng bộ biến đổi MCB-RS bằng phần mềm OrCad Hệ số khớp nối từ của máy biến áp được chọn một giá trị rất thấp (k = 0,7) để làm nổi bật các ảnh hưởng của sự rò rỉ trong các cuộn dây của máy biến áp trong quá trình hoạt động của bộ biến đổi

Hệ số máy biến áp m bằng 10 đã được lựa chọn phù hợp với bộ biến đổi MCB-RS được chế tạo Giá trị của tụ điện phải đảm bảo một giá trị gần như liên tục tương ứng điện áp VC

trong chu kỳ, với giá trị chấp nhận sự thay đổi tương đối nhanh chóng điện áp tại điểm nút Katốt của điốt D1 Sơ đồ mô phỏng của bộ biến đổi như hình 2.4 bằng phần mềm OrCad,

bộ biến đổi tăng áp MCB-RS được đưa vào giữa tấm pin năng lượng mặt trời và đường dây

DC điện áp cao Trong sơ đồ mô phỏng đã đưa ra giá trị cụ thể của các thông số