luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu thiết kế hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà

Do đó, chúng được yêu cầu phải được tích hợp và/hoặc được kết nối với lưới điện tiện ích để tạo thành một máy phát điện đa nguồn hoặc hệ thống năng lượng lai HES trong đó các nguồn năng

TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP

Giới thiệu

Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (AEO 2015), tổng lượng điện sản lượng tăng từ 1065 GW lên 1261GW vào năm 2040 Tuy nhiên, điện sản lượng từ các nguồn thông thường như than giảm từ 39% năm 2013 xuống 34% trong 2040 trong khi tỷ trọng khí đốt tự nhiên trong sản xuất điện tăng từ 27% lên 31% Trong trường hợp các nhà máy điện hạt nhân, tỷ trọng sản xuất điện giảm từ 19% đến 15% Mặt khác, có một sự tăng trưởng đáng kể trong thị phần của năng lượng tái tạo sản xuất năng lượng từ năm 2013 đến năm 2040 như được chỉ ra trong hình 1.1 [1] Điều cần trông đợi là đến năm 2040, gần 60% sản lượng điện là từ các nguồn tái tạo [2]

Hình 1.1 Tỷ trọng sản xuất điện bằng nhiên liệu (2000-2040) [1]

Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, thủy điện là nguồn đóng góp lớn nhất của ngành điện trong danh mục sản xuất điện tái tạo Tuy nhiên, một sự tăng trưởng cũng được thấy trong hệ thống phát điện bằng năng lượng gió và mặt trời Hình 1-2 phản ánh đến năm

2040, dự kiến 2/3 sản lượng điện được sản xuất bằng năng lượng tái tạo nguồn năng lượng sẽ được đóng góp bởi gió và năng lượng mặt trời Thêm vào đó, sự đóng góp của năng lượng địa nhiệt và sinh khối cũng đang tăng với tốc độ trung bình nhanh hơn giá

Hình 1.2 Chia sẻ về sản xuất năng lượng tái tạo theo nguồn [1]

Bất chấp sự sụt giảm tỷ trọng sản xuất điện từ các nguồn thông thường và dự đoán về sự tăng trưởng đáng kể trong thị phần các nguồn tái tạo, nhưng các nguồn tái tạo không được coi là nguồn điện đáng tin cậy nhất do những nhược điểm di truyền của họ Nhược điểm lớn của gió và mặt trời các nguồn năng lượng là sự phụ thuộc của chúng vào thời tiết khiến chúng không liên tục trong thiên nhiên Chúng có thể xuất hiện cùng một lúc nhưng có thể biến mất hoàn toàn vào thời điểm khác Hạn chế này có thể được loại bỏ bằng cách tích hợp các nguồn năng lượng này để phát triển hệ thống năng lượng lai [3-5].

Hệ thống năng lượng hỗn hợp độc lập

Trong những năm gần đây, những cải tiến to lớn đã được thực hiện để có các nguồn năng lượng chủ đạo Mặc dù năng lượng tái tạo là nguồn hiệu quả và năng lượng sạch, tuy nhiên điều này có một số nhược điểm do bản chất ngẫu nhiên Đối với ví dụ, năng lượng gió và năng lượng mặt trời, không thường xuyên có sẵn Một số, như nhiên liệu tế bào, biểu hiện phản ứng chậm Do đó, chúng được yêu cầu phải được tích hợp và/hoặc được kết nối với lưới điện tiện ích để tạo thành một máy phát điện đa nguồn hoặc hệ thống năng lượng lai (HES) trong đó các nguồn năng lượng này bổ sung cho nhau để cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy [6] Hệ thống năng lượng hỗn hợp được định nghĩa là “tập hợp các đơn vị nhỏ hợp tác, sản xuất điện hoặc điện và nhiệt, với đa dạng chất mang năng lượng sơ cấp (tái tạo và không tái tạo), và trong khi điều phối hoạt động của họ diễn ra bằng cách sử dụng các hệ thống điện tử công suất tiên tiến” [7] Hình 1.3 cho thấy bố trí của một hệ thống năng lượng hỗn hợp điển hình sử dụng năng lượng tái tạo nguồn năng lượng Một số kết hợp khả thi của các nguồn năng lượng phân tán để cấu thành HES đã được xác định, trong số đó, dạng HES phổ biến nhất là hệ thống năng lượng hỗn hợp gió-mặt trời giải quyết các vấn đề liên quan đến các thế hệ năng lượng gió và mặt trời độc lập Trong sự kết hợp này, cả hai nguồn bổ sung cho nhau để nâng cao độ tin cậy của hệ thống tổng thể Gió có thể tạo ra suốt ngày đêm tùy thuộc vào tình trạng sẵn có và tốc độ của gió trong khi năng lượng mặt trời có thể hỗ trợ nó vào ban ngày khi mức sử dụng ở mức cao nhất Đến nâng cao hơn nữa độ tin cậy, một thiết bị lưu trữ cũng có thể được thêm vào hệ thống để nếu nhu cầu ít hơn cung, năng lượng dư thừa có thể được lưu trữ mà sau này có thể được sử dụng trong thời gian tiêu thụ cao điểm hoặc không có RES [8] Khác có thể kết hợp là gió-mặt trời với hệ thống thủy điện có bơm [9], gió-mặt trời với sinh học khối lượng và quang điện gió với hệ thống pin nhiên liệu [10]

Hình 1.3 Hệ thống năng lượng lai điển hình

Hệ thống năng lượng hỗn hợp có thể hoạt động như một hệ thống phát điện độc lập trong các lĩnh vực không có nguồn điện hoặc việc mở rộng đường dây tải điện và xây dựng các trạm lưới bổ sung không phải là một lựa chọn khả thi [11] HES cũng có thể được kết nối vào lưới điện tiện ích để nâng cao công suất, hiệu quả và độ tin cậy của nguồn điện hệ thống phân phối [12]

Mặc dù việc tích hợp nhiều nguồn khắc phục được việc cung cấp điện không thường xuyên từ RES nhưng có một số thách thức bổ sung liên quan đến giao diện đa nguồn này

Ví dụ, trong một hệ thống năng lượng hỗn hợp độc lập, do khả năng ngắt điện từ các nguồn gió và mặt trời và các điều kiện tải thay đổi, tính ổn định tổng thể của hệ thống, độ tin cậy và tính liên tục của sự kết hợp này để cung cấp năng lượng cho các tải vẫn còn tương đối thấp Do đó, một bộ phận lưu trữ năng lượng cần được kết nối để bù đắp hoặc hấp thụ sự chênh lệch giữa công suất tạo ra và công suất cần thiết [13]

Liên quan đến hệ thống nối lưới, việc tích hợp RES với lưới điện tiện ích thậm chí còn có nhiều hậu quả hơn Giao diện năng lượng tái tạo có thể gây ra các vấn đề về chất lượng điện do sự thay đổi điện áp cung cấp Nếu RES được kết nối với bộ nạp với tải ít hơn, có khả năng xảy ra dòng điện ngược Tương tự như vậy, sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện tải gây ra sự thay đổi trong dòng điện của bộ nạp, gây ra các tác động bất lợi như sụt giảm và nhấp nháy điện áp hệ thống Một vấn đề khác là dòng sóng hài có thể gây ra biến dạng ở dạng sóng điện áp có thể truyền tới lưới điện phân phối [14]

Các lưới tiện ích thông thường thường bao hàm sơ đồ bảo vệ phụ thuộc vào nguồn cung cấp duy nhất Khi nhiều nguồn, chúng cũng góp phần tạo ra dòng lỗi Khó phát hiện và có thể tạo ra các vấn đề về bảo vệ Việc phát hiện và cài đặt các thiết bị bảo vệ được thực hiện theo giá trị của dòng sự cố của hệ thống Việc bổ sung RES có thể làm tăng giá trị này do đó khả năng ngắt của các thiết bị bảo vệ phải được lựa chọn rất cẩn thận [15] Các đường dây tải điện trên không thường được trang bị hệ thống tự động lại gần hơn

Vì sự cố tạm thời trên đường dây trên không không tồn tại trong thời gian dài hơn, do đó đường dây không được ngắt vĩnh viễn mà nó được ngắt trong thời gian ngắn hơn và được cấp điện trở lại sau khi khắc phục sự cố Tự động lại gần thực hiện một số lần thử và nếu sự cố vẫn tiếp diễn thì đường dây hoàn toàn không được cung cấp năng lượng Nếu RES được kết nối với hệ thống, đường dây vẫn được cấp điện vĩnh viễn và do đó lỗi tạm thời được coi là lỗi vĩnh viễn, đây là một trường hợp không mong muốn [16]

Nguồn RE kết nối với lưới điện được yêu cầu ngắt trong trường hợp có bất kỳ điều kiện điện áp bất thường nào Các bộ cấp nguồn gần kề với bộ nối RES được kết nối có thể tạo ra tình huống điện áp bất thường tương tự Trong những điều kiện như vậy, sơ đồ bảo vệ nguồn RES khó có thể phân biệt giữa sự cố quá / dưới điện áp thực tế và tác động của các bộ cấp khác, do đó nó bị tắt một cách không cần thiết [17]

Trong bất kỳ điều kiện sự cố nào, nguồn năng lượng tái tạo và lưới điện tiện ích đều đóng góp vào dòng điện sự cố do đó dòng điện sự cố tăng lên Dòng điện sự cố tổng hợp có thể tăng lên nhưng đóng góp từ nguồn năng lượng tái tạo có thể nhiều hơn đóng góp từ lưới điện, do đó các thiết bị bảo vệ tại lưới điện không thể nhận ra lỗi và lỗi vẫn không được chú ý có thể dẫn đến sự cố và hư hỏng hệ thống [18].

Hệ thống nằng lượng hỗn hợp nối lưới

Nguồn điện từ hệ thống điện mặt trời, gió hay sinh khối sẽ được đấu nối hòa cùng với điện lưới, thiết bị sẽ sử dụng song song các nguồn năng lượng tái tạo và điện lưới Qua bộ biến tần (inverter), các nguồn điện hỗn hợp sẽ được thiết lập ưu tiên cung cấp cho tải tiêu thụ trước, nếu còn dư điện, phần dư năng lượng này sẽ được đẩy ngược lên điện lưới

Trường hợp, cường độ ánh sáng mặt trời thấp, điện gió vẫn ổn đinh lượng điện sinh ra của nguồn PV ít, thêm cả nguồn gió không đủ cung cấp cho các thiết bị đang sử dụng thì điện lưới sẽ tự động bổ sung lượng điện còn thiếu Luôn đảm bảo các thiết bị tải hoạt động bình thường, không bị thiếu điện Khi trời tối, không có ánh sáng mặt trời, hệ thống điện mặt trời sẽ không sản sinh ra điện Lúc này, thiết bị tải sử dụng điện lưới bình thường cùng với các nguồn năng lượng tái tạo khác vẫn sản sinh ra năng lượng điện và nguồn lưu trữ song song Vì hệ thống điện mặt trời và điện lưới kết nối tự động với nhau nên để đảm bảo an toàn lưới điện, trong trường hợp mất điện lưới, hệ điện mặt trời cũng tự động ngắt để không truyền điện lên lưới Do đó, lúc này bạn sẽ không có điện sử dụng

* Ưu điểm: Chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn so với 2 loại còn lại; Hệ thống đơn giản hơn so với 2 loại còn lại; Có thể bán điện dư thừa cho điện lực và ổn định hệ thống điện tốt hơn; Vận hành hoàn toàn tự động, ít hỏng hóc; Giảm tải cho điện lưới quốc gia

*Nhược điểm: Khó lắp đặt đối với những nơi lưới điện đủ hoặc dư thừa năng lượng.

Ảnh hưởng của điện tử công suất trong các hệ thống năng lượng tái tạo

Hệ thống chuyển đổi năng lượng bằng điện tử công suất: Bất kể tất cả những ưu điểm mà RES có thể có, việc thâm nhập và tích hợp của chúng vào mạng điện không phải là một quá trình tầm thường, đúng hơn nó là một nhiệm vụ rất khó khăn Số lượng ngày càng tăng của các nguồn phát điện này sẽ đòi hỏi các phương pháp và chiến lược mới để duy trì sự điều tiết năng lượng điện trong hệ thống năng lượng hỗn hợp Để tăng tính hữu dụng của RES và giảm các tác động tiêu cực tiềm ẩn của chúng, như đã nêu ở trên, giao diện điện tử công suất (PE) có thể được sử dụng để tích hợp RES với mạng điện hiện có Do các khả năng độc đáo của giao diện PE, nó đang trở nên phổ biến hơn trong việc sử dụng với tất cả các loại RES Chất lượng và độ tin cậy của nguồn điện phụ thuộc vào hiệu quả, độ tin cậy và tính bền vững của các thiết bị PE Phần kết nối từ PE có thể giải quyết việc chuyển đổi và điều khiển công suất điện với sự trợ giúp của bộ chuyển đổi chế độ chuyển đổi công suất Với sự ra đời của các thiết bị điện tử công suất đáng tin cậy và chi phí thấp, hầu hết các vấn đề gây ra do sự xâm nhập của các nguồn năng lượng tái tạo có thể được giảm thiểu hoặc loại bỏ Một số ưu điểm của thiết bị PE được nhấn mạnh như:

Các vấn đề như chất lượng điện của hệ thống năng lượng hỗn hợp do tích hợp với hệ thống phân phối hiện có, có thể được cải thiện thông qua giao diện PE hiệu quả Vì nó không chỉ kiểm soát nội dung sóng hài của dòng điện và điện áp mà còn cung cấp khả năng vận hành nhanh chóng và giảm thiểu yêu cầu công suất phản kháng của lưới điện Giao diện RES thông qua PE cho phép điều khiển điện áp và công suất phản kháng tại nguồn phát do các bộ biến tần của HES tự chuyển mạch và có thể tạo ra điện áp AC, điều này cho phép HES tạo ra công suất ở bất kỳ hệ số công suất nào cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng lưới

Việc bổ sung RES vào các mạng lưới tiện ích không có một số tác động tiêu cực đến bảo vệ hệ thống yêu cầu sửa đổi trong việc lựa chọn và thiết lập các thiết bị bảo vệ Các thiết bị điện tử công suất đã giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép các thiết bị phản hồi nhanh chóng với các lỗi do nguồn tái tạo và ngay lập tức sửa chữa chúng trước khi có bất kỳ tác động nào đến lưới hiện có hệ thống bảo vệ

Các phát minh về điện tử công suất đã được chứng minh là rất hiệu quả trong việc giao tiếp nhiều nguồn năng lượng Việc sử dụng đường dây DC chung cho phép tích hợp một số nguồn năng lượng tái tạo và thiết bị lưu trữ giúp nâng cao hệ thống độ tin cậy Một tính chất quan trọng của hệ thống năng lượng lai là sự hình thành của lưới vi mô Trong quá trình hình thành lưới vi mô, HES phải có khả năng chuyển đổi nhanh chóng giữa độc lập với chế độ kết nối lưới Để làm được điều này, cực kỳ nhanh chóng chuyển đổi sẽ được yêu cầu mà chỉ có thể thực hiện được thông qua điện tử công suất các thiết bị

Các bộ chuyển đổi điện tử công suất khác nhau đã được phát triển để tích hợp nguồn năng lượng và kiểm soát công suất từ nguồn đến tải Những bộ chuyển đổi này thực hiện các chức năng sau đây trong hệ thống năng lượng lai

- Chuyển đổi công suất từ điện áp đầu vào thay đổi thành điện áp đầu ra được điều chỉnh

- Để đảm bảo công suất đầu ra chất lượng cao với độ lệch tần số và điện áp thấp

- Thực hiện cách ly điện giữa nguồn và tải

- Theo dõi Công suất tối đa trong hệ thống năng lượng gió và mặt trời

- Điều hòa công suất và điều khiển dòng điện từ nguồn đến tải

- Chuyển đổi công suất thành điện áp và tần số yêu cầu

Nhiều bộ chuyển đổi điện tử công suất đã được trình bày cho giao diện năng lượng tái tạo trong hệ thống điện lai Các bộ chuyển đổi này có thể thực hiện chuyển đổi AC sang

DC, DC sang DC và DC sang AC và có thể được phân loại thành nhiều nhóm như bộ chuyển đổi một tầng như AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC hoặc bộ chuyển đổi nhiều tầng như AC-DC-AC Ứng dụng của bộ chuyển đổi điện tử công suất phụ thuộc vào nguồn năng lượng tái tạo và yêu cầu của phụ tải Đối với một hệ thống tạo năng lượng gió chẳng hạn, có thể yêu cầu chuyển đổi AC-AC một giai đoạn hoặc chuyển đổi AC-DC hoặc chuyển đổi AC-DC-AC nhiều giai đoạn Tương tự, hệ thống năng lượng mặt trời có thể sử dụng chuyển đổi DC-DC hoặc chuyển đổi DC-AC tùy thuộc vào tải được kết nối Giao diện điện tử công suất trong loại nguồn năng lượng tái tạo DC và AC được thể hiện trong hình 1.4 Công việc nghiên cứu này chủ yếu liên quan đến chuyển đổi DC-DC

Hình 1.4 kết nối PE cho RES (a) Bộ tạo từ nguồn AC (b) Bộ tạo từ nguồn DC

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 [10] 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 1.5

Hình 1.5 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 [5], có ba loại biến tần PV một pha 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 [12]

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

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

1.4.3 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

1.4.4 Đánh giá tài liệu cho bộ chuyển đổi DC-DC

Bộ chuyển đổi DC-DC phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo để cung cấp nguồn cung cấp được kiểm soát và điều tiết từ nguồn năng lượng tái tạo không được kiểm soát và không được kiểm soát [19] Có hai loại bộ chuyển đổi DC-DC chính được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng tái tạo Một là loại bộ biến đổi cách ly trong đó máy biến áp tần số cao được sử dụng để cách ly giữa nguồn và tải [20] Các loại bộ chuyển đổi này được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng tái tạo công suất trung bình đến cao Loại còn lại là các bộ chuyển đổi không bị cô lập Các bộ chuyển đổi này được sử dụng trong các ứng dụng công suất thấp, nơi không cần biến áp tần số cao để cách ly đầu vào và đầu ra Chúng rất phổ biến trong các ứng dụng RES do kích thước nhỏ hơn và ít thành phần hơn và hiệu suất chuyển đổi cao [45], [46] Bộ chuyển đổi không cách ly có thể được chia thành hai loại, tức là bộ chuyển đổi một cổng và bộ chuyển đổi nhiều cổng Trọng tâm của công việc này là về các bộ chuyển đổi DC-DC nhiều cổng không tách rời

*Bộ DC-DC đầu vào kép đầu ra đơn

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 chuyển đổi công suất điện tử trong toàn hệ thống Tổng quan tài liệu về bộ chuyển đổi cổng đơn và cổng đa cổng không bị tách rời được trình bày trong chương này Thảo luận một số bộ chuyển đổi nhiều cổng như đã trình bày Các hạn chế trong cấu trúc liên kết đa cổng hiện có được đánh dấu Các vấn đề nghiên cứu sâu rộng đã dẫn đến việc xác định khoảng cách nghiên cứu và xây dựng căn cứ để tiến hành các nghiên cứu sâu hơn ở các phần tiếp theo luận văn.

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP

Giới thiệu

Tổng quan tài liệu toàn diện về cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi đa cổng không bị cô lập đã được trình bày trong Chương 1 Tổng quan tài liệu cho thấy rằng có một số hạn chế trong cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi đa cổng hiện có và cần phải nghiên cứu thêm trong lĩnh vực này Trong công trình này, một cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi DC-DC đa cổng không bị cô lập mới cho hệ thống năng lượng lai trong các ứng dụng công suất thấp được đề xuất Cấu trúc liên kết mới đồng hóa nhiều nguồn năng lượng tái tạo và cung cấp năng lượng cho nhiều tải với các mức đầu ra khác nhau Cấu trúc liên kết mới này có khả năng đối phó với các yêu cầu mức điện áp khác nhau và có thể tích hợp một số nguồn năng lượng để đáp ứng nhu cầu tải thay đổi Các nguồn có thể được sử dụng độc lập hoặc đồng thời Năng lượng dư thừa cũng có thể được lưu trữ và cung cấp trong trường hợp không có các nguồn năng lượng tái tạo Ưu điểm của cấu trúc liên kết được đề xuất so với cấu trúc liên kết trong các tài liệu được trích dẫn là:

- Nó có thể chứa nhiều nguồn ở đầu vào

- Các nguồn đầu vào có thể được sử dụng độc lập và đồng thời

- Nó có thể cấp nguồn cho nhiều tải với các mức điện áp khác nhau

- Ngoài việc cung cấp đầu ra được điều chỉnh cho tải, bộ chuyển đổi này có thể thu công suất tối đa từ các nguồn đầu vào

- Năng lượng dư thừa có thể được lưu trữ trong pin và có sẵn trong trường hợp không có nguồn năng lượng tái tạo

Trong chương này, phân tích toán học chi tiết về cấu trúc liên kết mới trong chế độ dẫn liên tục (CCM), được trình bày Trong các phần tiếp theo, cấu trúc của bộ chuyển đổi mới được giải thích sau đó là phân tích chi tiết ở các chế độ hoạt động khác nhau để chứng minh tính phù hợp của bộ chuyển đổi trong các ứng dụng năng lượng lai công suất nhỏ và siêu nhỏ.

Bộ chuyển đổi DC-DC độc lập và nối lưới

Bộ chuyển đổi được đề xuất trong trong đề tài là bộ chuyển 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 tăng áp Boost và bộ chuyển đổi hai chiều Buck-Boost Hình 2.1 cho thấy sơ đồ mạch của sự kết hợp này Bộ chuyển đổi được liên kết bởi hai nguồn năng lượng gió và pin mặt trời tương ứng với hai nguồn điện áp Vin1 và Vin2, một cổng phần tử lưu trữ được biểu thị bằng Bat và một cổng tải đầu ra được biểu thị bằng Vload Hai cuộn cảm độc lập có độ tự cảm L1 và L2 thưc hiện trao đổi năng lượng từ hai bộ chuyển đổi boost cơ bản với hai khóa điện tử S1 và S5 từ hai nguồn riêng lẻ và đồng thời Tải là điện trở Bộ chuyển đổi có năm công tắc có thể điều khiển S1, S2, S3, S4 và S5 Các công tắc này chịu trách nhiệm điều khiển dòng điện từ nguồn đến tải và hệ thống lưu trữ thông qua các chu kỳ làm việc của chúng tương ứng là d1, d1, d3, d4 và d5 Các công tắc S1 và S5 có nhiệm vụ chuyển công suất tối đa từ các nguồn năng lượng tái tạo đầu vào Hai điốt D3 và D4 dẫn bổ sung cho các công tắc S1 và S5 Điốt được phân cực ngược trong trạng thái bật của các công tắc S1 và S5 và ở trạng thái dẫn điện trong thời gian tắt của công tắc S1và S5 Công tắc S2, S3 và S4 chịu trách nhiệm điều khiển quá trình sạc và xả của ắc quy tương ứng

Hình 2.2 Đề xuất bộ chuyển đổi DC-DC kết hợp nhiều nguồn và hệ thống tích lũy Các khóa đó được mô tả như các biến nhị phân với tổ hợp các trạng thái tương ứng với từng kịch bản hoạt động của mạch điện, từ thể hiện các trạng thái chuyển đổi sẽ đưa ra các điều kiện điều khiển và thiết bị bảo vệ cho các khóa điện tử công suất Nhiều trạng thái trong số này bị cấm (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 tổn thất cao) năng lượng cảm ứng ngay lập tức) Do đó cần tránh các trạng thái đó và điều chỉnh thích nghi theo yêu cầu thực tế của toàn hệ thống

2.2.1 Các kịch bản hoạt động Để phân tích bộ chuyển đổi được đề xuất, một số giả định nhất định được đưa ra, tức là:

- Tất cả các thiết bị chuyển mạch đều lý tưởng tiến hành chặn ngược chiều

- Tụ điện đầu ra C, đủ lớn để làm trơn điện áp đầu ra

- Giả định rằng tất cả các nguồn năng lượng tái tạo được kết nối là cung cấp điện áp

DC tương ứng với điểm công suất tối đa của chúng

Sau đây là các kịch bản có thể mô tả theo đầu vào và đầu ra hoạt động khác nhau của bộ chuyển đổi mới này

- Nhiều đầu vào-Một đầu ra

- Đầu vào kép - Một đầu ra

- Đầu vào kép - Đầu ra kép

- Một đầu vào - Đầu ra kép

- Một đầu vào - Một đầu ra

Mỗi kịch bản của bộ chuyển đổi này hoạt động ở trạng thái ổn định sẽ được phân tích độc lập trong các phần tiếp theo

* Kịch bản thứ nhất (đầu vào-đầu ra kép)

Trong kịch bản đầu tiên của bộ chuyển đổi được thể hiện trong hình 2.2, nguồn năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau Pin mặt trời và nguồn gió cung cấp năng lượng cho tải tại đường dây một chiều DC cũng như đến cuộn cảm máy biến áp xung tích lũy và xả năng lượng Hệ thống tích lũy được nạp năng lượng trong quá trình chuyển đổi Trong kịch bản này các khóa điện tử S1 và S5 hoạt động Khi hệ thống tích lũy ắc quy được nạp đầy thì khóa S2 sẽ ở trạng thái đóng cho dòng điện chạy qua (khóa S2 ở đây nghiên cứu có thể là một khóa điện tử và một khóa cơ điện)

Phương thức hoạt động này có thể áp dụng khi cả hai nguồn năng lượng tái tạo đều có sẵn và có thể thu được công suất tối đa Ngoài việc tăng cường năng lượng cho tải, năng lượng dư thừa có thể được lưu trữ để sử dụng sau này Ở kịch bản này đầu ra kép, các công tắc điều khiển S1 và S5 được sử dụng để theo dõi điểm năng lượng tối đa của các nguồn năng lượng tái tạo Khi ắc quy đang sạc ở chế độ này và S2 sẽ kiểm soát điện áp sạc pin và sẽ bật khi ắc quy được sạc đầy hoặc điện áp đầu vào tăng lên một giá trị xác định Công tắc điều khiển S3 và S4 sẽ luôn tắt (không hoạt động) Truyền năng lượng từ nguồn sang tải phụ thuộc vào chiến lược điều khiển được áp dụng để tạo ra các tín hiệu cổng để điều khiển các công tắc đầu vào và đầu ra tùy thuộc vào sự sẵn có của nguồn đầu vào, điều kiện tải và trạng thái của thiết bị lưu trữ Chú ý thời gian mở các khóa S1 và S5 không trùng nhau

Hình 3.2 Sơ đồ tại kịch bản 1

Trong đó d1 và d5 là thời gian mở khóa S1 và S5 và có giá trị khác nhau với mục tiêu sao cho điện áp đầu ra tải ổn định Như biểu thức (1) ta thấy một ưu điểm của mạch này là thời gian mở của các khóa luôn nhỏ hơ 1/2 chu kì làm việc của bộ chuyển đổi Ắc quy được nạp với dòng điện khi thời gian khóa điện tử S1 bật và trong trường hợp nếu điện áp nguồn PV mà nhỏ hơn điện áp của ắc quy thì coi như sơ đò nguồn cung cấp từ PV không hoạt động Đây cũng là một giá trị để đặt ngưỡng làm việc cho nguồn PV cung cấp cho tải

* Kịch bản thứ 2 (Đầu vào kép- một đầu ra)

Trong kịch bản 2 (xem hình 2.3), đầu vào cung cấp năng lượng cho tải và ắc quy đã nạp đầy, khóa S1, S2 và S5 hoạt động, các cuộn dây L1 và L2 hoạt động Trong kịch bản này năng lượng cơ bản được cung cấp toàn bộ cho tải Đặc biệt khóa điện tử S2 ở trạng thái bật với thời gian mở bằng hoặc lớn hơn thời gian mở của khóa S1 Từ đó ta có điều kiện d2≥d1 trong kịch bản này Bộ chuyển đổi làm việc như hệ thống xếp chồng hai bộ biến đổi DC-DC boost cơ bản

Hình 2.3 Sơ đồ tại kịch bản 2

* Kịch bản thứ 3 trong bộ chuyển đổi (Ba đầu váo và một đầu ra)

Hoạt động của bộ chuyển đổi trong kịch bản này được thể hiện trong sơ đồ hình 2.4

Hệ thống làm việc như được xếp chồng ba bộ biến đổi DC-DC boost cơ bản với ba nguồn vào từ PV, gió và ắc quy lưu trữ Kịch bản này thường diễn ra khi nguồn PV giảm dần công suất phát do thời tiết thay đổi hoặc thông thường về gần buổi chiều tối mà nhu cầu tải không đổi Hệ thống có ba phần điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S5 sao cho điện áp đầu ra tải ổn định và không gây ngắn mạch giữa các nguồn vào (chia thành 3 pha riêng d2 do vậy thời gian mở các khóa điện tử sẽ khác nhau vì thông số của từngộ kết nối với nguồn khác nhau

Hình 2.4 Sơ đồ tại kịch bản 3

* Kịch bản 4 (Đầu vào kép-một đầu ra)

Hoạt động kịch bản 4 như hình 2.5, năng lượng nguồn gió và ắc quy cung cấp cho toàn bộ tải, khóa S3 và S5 hoạt động đây là thời gian khi tải tại đường dây DC cần năng lượng Nguồn PV ngưng hoạt động tại thời gian trời tối Hệ thống chuyển đổi hoạt động cơ bản giống như kịch bản 2 Nhưng chú ý về thời gian mở của các khóa S3 và S5 sẽ theo chế độ điện áp đầu ra của tải

Hình 2.5 Sơ đồ tại kịch bản 4

* Kịch bản 5 (Một đầu vào và đầu ra kép)

Hinh 2.6 mô tả sơ đồ nguyên lý cho kịch bản 5 Thời tiết trong ngày là tối và về đêm nên phụ tải sẽ giảm và hệ thống lưu trữ năng lượng cũng đã tiêu hao hoặc tiêu hao gần hết năng lượng do vậy kịch bản này sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng từ nguồn gió sẽ cung cấp cho tải và hệ thống tích lũy năng lượng Nguyên lý làm việc sơ đồ này cơ bản thực hiện chuyển đổi năng lượng tương tự như bộ biến đổi DC-DC Boost (chuyển đổi năng lượng đến tải) và Buck (chuyển đổi năng lượng đến ắc quy) Các khóa điện tử S4 và S5 hoạt động

Hình 2.6 Sơ đồ tại kịch bản 5

* Kịch bản 6 (Một đầu vào-một đầu ra)

Khi năng lượng của hệ thống tích lũy được nạp đầy và theo tính logic từ các kịch bản trước thì hệ thống chuyển đổi chuyển sang kịch bản này Nguyên lý làm việc của kịch bản này đơn giản là bộ biến đổi DC-DC Boost cơ bản được mô tả như hình 2.7, tải được nhận năng lượng từ nguồn năng lượng gió Khoảng thời gian này chỉ có một khóa điện tử S5 hoạt động

Hình 2.7 Sơ đồ tại kịch bản 6

* Kịch bản thứ bảy (Một đầu vào và một đầu ra)

Trường hợp này của hệ htoongs chuyển đổi đưa ra giả thiết các nguồn năng lượng tái tạo ngừng sản xuất cung cấp năng lượng (1 Khi năng lượng của hệ thống tích lũy được nạp đầy và theo tính logic từ các kịch bản trước thì hệ thống; 2 Nguồn gió lý do thiên tai cần dừng hoạt động hoặc bảo trì bảo dưỡng định kì; 3 Bên cạnh đó nguồn năng lượng phía tái kết nối với hệ thống đường dây DC có kết nối với nguồn phát khác đang dư thừa năng lượng) thì chuyển đổi chuyển sang kịch bản này Nguyên lý làm việc của kịch bản này đơn giản là bộ biến đổi DC-DC Buck cơ bản được mô tả như hình 2.8, tải/phía hệ thống đường dây DC cung cấp năng lượng cho hệ thống tích lũy (ắc quy) Khoảng thời gian này chỉ có một khóa điện tử S4 hoạt động Ngoài ra còn có trường hợp như các nguyên nhân kịch bản

7 ta có kịch bản 8 là năng lượng tải chỉ được cung cấp từ hệ thống tích lũy năng lượng và nó làm việc cơ bản giống như kịch bản 6

Hình 2.8 Sơ đồ tại kịch bản 7

Kỹ thuật điều khiển cho bộ DC-DC hỗn hợp nhiều nguồn

Trong bộ chuyển đổi này có năm khóa điện tử để điều khiển với các kịch bản đã phân tích ở phần trên được mô tả như hình 2.9 Mỗi mộ kịch bản chế độ điều khiển sẽ khác thực hiện với mục tiêu là điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi gần như ổn đinh và tìm các điểm công suất lớn nhất từ các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống tích lũy Do đó mạch điều khiển có các mạch vòng phản hồi dòng và áp và sử dụng phương pháp tìm điểm công suất lớn nhất cho bộ chuyển đổi

Hình 2.9 Sơ đồ khối điều khiển cho bộ DC-DC nguồn hỗn hợp

2.3.1 Phân tích điều khiển các kịch bản của bộ chuyển đổi

Chế độ điều khiển cho kịch bản này có những thành phần và yêu cầu cơ bản như sau cho mạch điều khiển: 1 Thực hiện thuật toán tìm điểm công suất cực đại cho hai nguồn năng lượng hốn hợp đầu vào; 2 Điều chỉnh ổn định điện áp đầu ra cho tải hoặc nối lên đường dây điện áp cao DC; 3 Thực hiện kiểm soát chế độ nạp cho ắc quy Chế độ này hoạt động khi PV tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, nguồn gió vận hành và trở thành nguồn năng lượng để sạc ắc quy cũng như cung cấp năng lượng cho tải/đường dây DC

Hai bộ điều khiển tích phân tỷ lệ cộng được sử dụng trong kịch bản này Một bộ điều khiển là nhằm mục đích theo dõi điểm công suất tối đa của hai nguồn Bộ điều khiển thứ hai nhằm mục đích duy trì điện áp không đổi trên tải tại DC Mạch phản hồi cho mạch phần nạp cho ắc quy Đầu ra này trở thành đầu vào cho độ rộng xung điều chế do đó tạo ra tín hiệu đóng mở cho khóa S1 và S5

Như hình 2.11, trong bộ chuyển đổi được loại thêm 1 vòng phản hồi cho việc nạp cho ắc quy vì kịch bản này hệ thống lưu trữ đã nạp đầy Như vậy chỉ còn hai bộ điều khiển như kịch bản 1 Điều chế độ rộng xung cho khóa điện tử S1 và S5 được tính toán như công thức trong bộ biến đổi cơ bản boost

Mạch điều khiển cơ bản như kịch bản số 2 và thêm mạch vòng phản hồi để điều khiển cho khóa S3 khi năng lượng được bổ sung từ nguồn lưu trữ trong hệ thống chuyển đổi

Mạch điều khiển theo thuật toán như kịch bản số 2 và chỉ khác đối tượng khóa điều khiển là S3 và S5

Kịch bản này hệ thống tích lũy được cấp năng lượng và tải từ một nguồn năng lượng gió

Do đó cần thực hiện mạch vòng phản hồi cho hệ thống tích lũy sao cho ổn định Các kháo S4 và S5 được điều khiển độ rộng xung sao cho đạt mục tiêu nêu trên

Nguyên lý điều khiển như bộ biến đổi DC-DC boost với hai bộ điều khiển tìm điểm công suất cực đại và ổn định điện áp ra tải Tương tự như kịch bản 8

Chế độ này nhằm mục đích sạc pin mà không có các nguồn năng lượng tái tạo Tình trạng này sẽ phát sinh khi ắc quy bị được xả hết hoặc thiếu năng lượng Bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ chuyển đổi buck cơ bản khóa S4 được điều khiển

Chương này sẽ thảo luận về vai trò của kỹ thuật điều khiển và tầm quan trọng của nó trong một hệ thống Hơn nữa, nó sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về các loại hệ thống/sơ đồ điều khiển khác nhau và bộ điều khiển thường được sử dụng ngày nay Một mô tả chi tiết của khác nhau phương pháp được sử dụng để kiểm soát nguồn năng lượng PV sẽ được đưa ra

Kỹ thuật điều khiển hoặc kỹ thuật hệ thống điều khiển là ngành kỹ thuật áp dụng lý thuyết điều khiển để thiết kế hệ thống với hành vi mong muốn [18] Mục đích của kỹ thuật điều khiển là để cải thiện, hoặc trong một số trường hợp cho phép, hiệu suất của một hệ thống bằng cách bổ sung các cảm biến, bộ xử lý điều khiển và bộ truyền động Các cảm biến đo hoặc cảm nhận các tín hiệu khác nhau trong hệ thống và các lệnh toán tử; bộ xử lý điều khiển xử lý các tín hiệu cảm nhận và điều khiển các bộ truyền động, ảnh hưởng đến hành vi của hệ thống [19]

2.3.2 Kỹ thuật điề khiển tìm điểm công suất cực đại

MPPT (Maximum Power Point Tracking) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời thông qua việc đóng mở khóa điện tử của bộ biến đổi (BBĐ) DC-DC [4] Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ thống quang điện làm việc với lưới MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PMT với tải để khuếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời có cấu trúc như hình 2.10

Khi một tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp vào một tải theo hình 2.2, điểm làm việc của tấm pin mặt trời đó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I-V của pin và đặc tính I-V của tải

Giả sử nếu tải là thuần trở thì đường đặc tính tải là một đường thẳng với hệ số góc là 1/R theo hình 2.11

Hình 2.10 Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời

Hình 2.11 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải có giá trị thay đổi

Từ đặc tính I-V hình 2.11 cho thấy có một điểm gọi là MPP (maximum power point), là điểm mà khi hệ thống hoạt động tại điểm đó thì công suất ra của pin mặt trời là lớn nhất Trong hầu hết các ứng dụng người ta mong muốn tối ưu hóa dòng công suất ra từ pin năng lượng mặt trời tới tải Để làm được điều đó đòi hỏi điểm làm việc của hệ thống phải được thiết lập ở điểm MPP

Tuy nhiên, vì điểm hoạt động với công suất lớn nhất (MPP) phụ thuộc vào bức xạ mặt trời, nhiệt độ và điều kiện môi trường thay đổi ngẫu nhiên nên vị trí điểm MPP cũng thay đổi liên tục Do đó, để đảm bảo hệ thống luôn làm việc ở điểm MPP hoặc ở lân cận điểm MPP thì người ta sử dụng một mạch đặc biệt gọi là MPPT để bám theo điểm có công suất cực đại

Thuật toán tìm điểm công suất cực đại: Vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính

I-V là không biết trước và nó luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ Chẳng hạn như hình 2.12 trình bày đặc tính I-V của pin mặt trời khi giữ nhiệt độ cố định ở

25 0 C và bức xạ mặt trời thay đổi

Hình 2.12 Đặc tính I-V khi cường độ bức xạ thay đổi và vị trí điểm MPP

Kết luận chương 2

Trong nội dung chương này tác giả đã phân tích chi tiết về bộ chuyển đổi điện tử công suất đã được đề xuất đưa giải pháp để thực hiện một vài yêu cầu vừa hiệu quả vừa tạo tính ổn định khi nối lưới hoặc thành hệ thống độc lập Từ đó đưa ra giải pháp tối ưu cho từng chế độ đồng thời tránh các kịch bản phá vỡ hệ thống chuyển đổi và từ đó có thể đưa ra bài toán điều khiển Tác giả đã thảo luận về vai trò của kỹ thuật điều khiển và tầm quan trọng của nó trong một hệ thống Phân tích các loại hệ thống/sơ đồ điều khiển khác nhau và bộ điều khiển thường được sử dụng ngày nay từ đó đưa ra ưu, nhược điểm của từng phương pháp và đề xuất lựa chọn phương pháp tối ưu là: đối với phương pháp điều khiển lựa chọn các bộ điều khiển tuyến tính đơn giản, trong theo dõi điểm công suất tối đa chọn phương pháp P&O.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM

Giới thiệu

Dựa trên mô hình bộ chuyển đổi được thảo luận trong Chương 1 và 2, một nền tảng hệ thống mô phỏng cho bộ chuyển đổi DC-DC Đa đầu vào-Đa đầu ra được trình bày đã được phát triển trong MATLAB/PSIM Mô hình mô phỏng được sử dụng để kiểm tra bộ chuyển đổi được phát triển trong các điều kiện hoạt động khác nhau và để xác minh kết quả phân tích thu được trong chương 3 Các thông số được sử dụng cho nghiên cứu mô phỏng được xác định trước và được trình bày trong Bảng 3.1 Điện áp đầu vào tương ứng với mức điện áp của các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ như bảng điều khiển năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu và tuabin gió nhỏ Điện áp đầu ra V được thiết kế để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử công suất thấp và điện áp đầu ra V được thiết kế để sạc pin 56V Hiệu suất của bộ chuyển đổi trong các điều kiện hoạt động khác nhau trong hệ thống vòng hở và vòng kín được đánh giá và thảo luận trong chương này

Bảng 3-1 Các thông số hệ thống cho các nghiên cứu mô phỏng Điện áp nguồn PV 60-100V Điện áp nguồn gió 80-100V Ắc Quy 50-56V Điện áp tải 200V Điện cảm 0.1mH Điện dung tải 100uF

Công tắc điện tử IGBT

Tần số đóng cắt 50kHz Độ gợn điện áp ra 0.2V

Kết quả mô phỏng

Mô hình mô phỏng cho bộ chuyển đổi đầu vào kép đầu ra kép được thể hiện trong hình 3.1 Trong mô hình này, cả hai nguồn đầu vào đều có mặt, do đó ngoài việc cung cấp năng lượng cho tải, nguồn điện bổ sung được lưu trữ trong ắc quy Vì mô hình đại diện bộ chuyển đổi vòng mở

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng kịch bản 1 Chế độ này liên quan đến bốn thành phần, tức là hai nguồn PV, gió, ắc quy và tải/tại đường dây DC Chế độ này sẽ hoạt động vào ban ngày khi PV nguồn năng lượng tốt Mục đích của chế độ này là sử dụng năng lượng tối đa từ PV và gió để cung cấp năng lượng cho tải liên kết và ắc quy lưu trữ Mục tiêu này cần phải được hoàn thành trong khi vẫn đảm bảo điểm công suất tối đa theo dõi của nguồn PV và nguồn gió

Trong hình 3.2 (a) thể hiện giá trị điện áp ngược đánh thủng 220V cho khóa S1 và S5 tại đầu đó V2 và V4, từ đó chúng ta có thể lựa chọn khóa điện tử phù hợp cho mạch Điện áp đầu ra tải nằm gần trong khoảng 200VDC tại đầu đo V3 Trong hình 3.2 (b), các giá trị dòng điện qua các thành phần điện cảm L2 (đầu đo I5) tại nguồn điện gió, qua khóa S5 (đầu đo I2) và dòng điện qua L1 từ nguồn PV (đầu đo I3)

(c) Hình 3.2 Đồ thị trong quá trình hoạt động trạng thái 1

(a) Đồ thị điện áp trên các khóa S1 và S5; (b) Dòng điện của từ nguồn và qua khóa S5; (c) Dòng điện của nạp cho ắc quy và tải

Trong hình 3.2 (c) thể hiện các giá trị dòng điện được mô phỏng và đo với các thông số đã cho trong hệ thống tại kịch bản 1 Đầu I1 thực hiện đo giá trị dòng điện nạp của ắc quy trong quá trình bật của khóa điện tử S1 đi qua các điốt nhằm ổn định dòng cho ắc quy Đầu I4 thể hiện giá trị dòng điện đến tải ở đây giá trị tải trong mô phỏng là thuần trở 120 Ở hình 3.3 thể hiện toàn bộ giá trị công suất tại các nguồn phát và các tải tiêu thụ trong toàn hệ thống Ta có thể thấy nguồn phát tại các đầu đo thứ 2 và 3 trong hình 3.3 và nguồn tiêu thụ là đầu 1 và 4 Từ các giá trị ta có thể tính dơn giản ra hiệu suất của hệ thống chuyển đổi tại kịch bản này

Hình 3.3 Đồ thị trong quá trình hoạt động tại trạng thái 1: Công suất trên các cổng

Kịch bản này liên quan đến cả 3 thành phần Như được mô tả trong chương 2 hai nguồn hỗn hợp cung cấp toàn bộ cho tải nối lên đường dây DC và ắc quy đã nạp đầy năng lượng Từ hình 3.4 (a), quan sát thấy rằng điện áp ngược trên S1và S5 như ở kịch bản 1 nhưng có giá trị đỉnh lớn hơn khoảng 20V lí do do điện áp trên tải tăng lên, do đó cần điều chỉnh độ rộng xung điều khiển cho S1 và S5 giảm xuống Hình 3.4 (b) kết quả đo giá trị dòng điện qua tải và qua kháo S1 khi bật nó tăng lên so với kịch bản 1

(b) Hình 3.4 (a) Điện áp trên các khóa S1 và S5, trên tải; (b) Dòng điện qua khóa S1 và tải

Hình 3.5 Công suất trên 2 đầu vào vả một đầu ra

Hình 3.5 biểu thị giá trị công suất của 3 thành phần hai nguồn hỗn hợp và tải phần năng lượng ở tải được tăng lên khoảng 100W so với kịch bản trước vì không còn cung cấp cho ắc quy

Chế độ này đang hoạt động khi ắc quy sạc đầy cũng như PV và gió vẫn được đủ ánh sáng để sản xuất điện Mục đích là để bổ sung năng lượng từ ắc quy đến tải tại đường dây

DC Từ Hình 3.6 (a) ta có sơ đồ mô phỏng hệ thống chuyển đổi tại kịch bản này, Điều này ngụ ý rằng điều khiển cho chế độ này đang hoạt động và nó được xác minh Hình 3.3 (b) đưa ra kết quả đo công suất của 3 thành phần trong mạch nguồn của ắc quy cấp năng lượng nhỏ

Hình 3.6 (a) Sơ đồ mô phỏng kịch bản 3, (b) Công suất trên ba cổng

Tương tự trường hợp này tác giả đưa ra kết quả đo công suất của ắc quy và nguồn gió cung cấp cho tải tại liên kết DC như hình 3.7 Với nguồn năng lượng này có thể cung cấp làm ổn định một phần cho toàn hệ thống khi năng lượng thiếu hụt

Hình 3.7 Công suất của của đầu vào và hai đầu ra

Kịch bản này tác giả đưa ra kết quả đo công suất của ắc quy và tải được cung cấp bởi nguồn năng lượng gió như hình 3.8 Với nguồn năng lượng này có thể cung cấp làm ổn định một phần cho hệ thống tích lũy cũng như phía tải đang giảm lưu lượng công suất

Hình 3.8 Đồ thị công suất một đầu vào hai đầu ra trong kịch bản 5

Trong hình 3.9 thể hiện giá trị điện áp gần 191VDC trên khóa S5 và trên tải kết nối đường dây DC Hình 3.10 thể hiện giá trị công suất đầu vào và đầu ra để xác định hiệu suất của quá trình chuyển đổi này

Hình 3.9 Dạng điện áp trên tải và trên khóa S5

Hình 3.10 Giá trị công suất đầu vào và ra của bộ chuyển đổi tại kịch bản 6

Trường hợp kịch bản 7 có thể thấy như mạch nạp tương gần như kịch bản 5 và từ các kết quả mô phỏng ở các kịch bản của hệ thống chuyển đổi để kiểm tra bước đầu và phân tích một cách logic để đưa ra các yếu tố và tham số tối ưu.

Thực nghiệm và phân tích

Phần này cung cấp chi tiết về phần cứng được sử dụng cho bộ thử nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm Các thông số kỹ thuật của mọi thành phần được mô tả cùng với cách nó đã được sử dụng để có được kết quả thí nghiệm (mạch nguyên lý và lắp ráp phụ lục 2)

Bảng quang điện được sử dụng là mô-đun năng lượng mặt trời Poly 450 watt x 2 Bảng này có các thông số kỹ thuật sau:

- Phạm vi công suất: 450 Wp

Tất cả các thông số này được đo trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn của ánh sáng mặt trời Điều này có nghĩa là cường độ ánh sáng tương đương với ánh sáng mặt trời lên tới 1500 watt đèn đặt ở khoảng cách 1 mét từ bảng điều khiển Cường độ ánh sáng được đo bằng watt mỗi mét vuông và công suất được đo bằng watt Đối với mục đích thử nghiệm và do những hạn chế của không gian trong phòng thí nghiệm, đèn được sử dụng để chiếu xạ bảng điều khiển Những chiếc đèn này tương đương với một phần mười năng lượng mặt trời Chúng tương đương với 900 watt Do đó tất cả các giá trị là một phần ba của các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn được đưa ra trong bảng thông số kỹ thuật

- Đường kính cánh: 3.3m (9.94 ft) On grid 4.05 m (10.8 ft) Off grid

- Loại turbine: Đón gió trục ngang

- Tốc độ gió lúc khởi động (m/s): 3

- Tốc độ gió trung bình (m/s): 12

- Trọng lượng: 155 kg (341 lbs) On grid – 165 kg (362 lbs) Off grid

PIC16F8XX là nhóm PIC trong họ PIC16FXX của họ vi điều khiển 8_bit, tiêu tốn năng lượng thấp, đáp ứng nhanh, chế tạo theo công nghệ CMOS, chống tĩnh điện tuyệt đối Bao gồm các nhóm sau:

Tất cả các PIC16/17 điều có cấu trúc RICS PIC16CXX các đặc tính nổi bậc, 8 mắc ngăn xếp tack, nhiều nguồn ngắt tích hợp bên trong lẫn bên ngoài Có cấu trúc Haward với các bus dữ liệu và bus thực thi chương trình riêng biệt nhau cho phép độ dài một lệnh là 14_bit và bus dữ liệu 8_bit cách biệt nhau Tất cả các lệnh đều mất một chu kỳ lệnh, ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh chương trình mất hai chu kỳ lệnh Chỉ có 35 lệnh và một lượng lớn các thanh ghi cho phép đáp ứng cao trong ứng dụng

Họ PIC16F8XX có nhiều tính năng đặc biệt làm giảm các thiết bị ngoại vi, vì vậy kinh tế cao, có hệ thống nổi bật đáng tin cậy và sự tiêu thụ năng lượng thấp Ở đây có bốn sự lựa chọn bộ dao động và chỉ có chân kết nối bộ dao dộng RC nên có giải pháp tiết kiệm cao Chế độ SLEEP tiết kiệm nguồn và có thể được đánh thức bởi các nguồn reset Và còn nhiều phần khác đó được giới thiệu bên trên sẽ được nói ở các phần kế tiếp PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường) Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau:

 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2)

 Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài

 2 bô CCP (Capture / Compare/ PWM)

 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào

 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer)

 Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển

 Có chế độ tiết kiệm năng lượng

 Được chế tạo bằng công nghệ CMOS

 35 tập lệnh có độ dài 14 bits

 Tần số hoạt động tối đa 20MHz

- Các đặc tính ngoại vi bao gồm

 Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

 Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

 Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

 Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung

 Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

 Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần

 Cổng nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần

 Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

 Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân Watchdog Timer với bộ dao động trong

 Chức năng bảo mật mã chương trình

 Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau

- Sơ đồ chân như hình 3.11:

Hình 3.11 Sơ đồ khối PIC 16F877A – 40Pin

Từ sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý, ta rút ra các nhận xét ban đầu như sau : o PIC16F877A có tất cả 40 chân o 40 chân trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND, 2 chân thạch anh và một chân dùng để RESET vi điều khiển o 5 port của PIC16F877A bao gồm :

Cổng xuất nhập (I/O port) chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tác với thế giới bên ngoài Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua quá trình tương tác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng

Một cổng xuất nhập của vi điều khiển bao gồm nhiều chân (I/O pin), tùy theo cách bố trí và chức năng của vi điều khiển mà số lượng cổng xuất nhập và số lượng chân trong mỗi cổng có thể khác nhau Bên cạnh đó, do vi điều khiển được tích hợp sẵn bên trong các đặc tính giao tiếp ngoại vi nên bên cạnh chức năng là cổng xuất nhập thông thường, một số chân xuất nhập còn có thêm các chức năng khác để thể hiện sự tác động của các đặc tính ngoại vi nêu trên đối với thế giới bên ngoài Chức năng của từng chân xuất nhập trong mỗi cổng hoàn toàn có thể được xác lập và điều khiển được thông qua các thanh ghi SFR liên quan đến chân xuất Vi điều khiển PIC16F877A có 5 cổng xuất nhập: PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE

Mỗi chân của vi điều khiển PIC 16F877A có một chức năng khác nhau Trong đó có một số chân đa công dụng: mỗi chân có thể hoạt động như một đường xuất nhập hoặc là một chân chức năng đặc biệt dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

- Cấu trúc phần cứng của PIC 16F877A

PIC là tên viết tắt của “Programmable Intelligent computer” do hãng General Instrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ Hãng Micrchip tiếp tục phát triển sản phầm này và cho đến hàng đã tạo ra gần 100 loại sản phẩm khác nhau

PIC16F887A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC có thể học tập và tạo nền tản về họ vi điều khiển PIC của mình

 Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau : o 8K Flash Rom o 368 bytes Ram o 256 bytes EFPROM o 5 port vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập o 2 bộ định thời Timer0 và Timer2 8 bit o 1 bộ định thời Timer1 16 bit có thể hoạt động ở cả chế độ tiết kiệm năng lượng với nguồn xung clock ngoài o 2 bộ Capture/ Compare/ PWM o 1 bộ biến đổi Analog -> Digital 10 bit, 8 ngõ vào o 2 bộ so sánh tương tự o 1 bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer) o 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển o 1 cổng nối tiếp o 15 nguồn ngắt o

Các công tắc được sử dụng là IRF830 như trong hình 3.12 Loại IRF830 được lựa chọn cho khóa điện tử S5 trong mạch nguyên lý

Hình 3.12 Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử

Hình 3.13 Đặc tính điện áp cực cửa Các khóa điện tử S1, S2, S3 và S4 được sử dụng loại IRF650 như hình 3.18

Hình 3.14 Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử

Hình 3.19 Hình ảnh cảm biến dòng ASC712

Cảm biến dòng điện ACS712 5A IC ACS 712 (Hình 3.9) là một IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall ACS xuất ra 1 tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện Ip được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC), trong phạm vi đã cho CF được dùng với mục đích chống nhiễu và có giá trị tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng

Kết luận chương 3

Trong chương 3 tác giả đã đưa ra kết quả mô phỏng cho cả bảy kịch bản với các thông số độc lập Bên cạnh đó cũng đưa ra được những hình ảnh thực tế của bộ sản phẩm và kết quả đo được trên sản phẩm thực tế ở một số kịch bản Mô hình này cho bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều hỗn hợp nhiều nguồn cung cấp cho hệ thống độc lập hoặc nối lưới

Từ phân tích bảy kịch bản đưa ra các kết quả mô phỏng cho thấy cả bảy kịch bản đều có thể hoạt động để cho kết quả mong muốn Các kịch bản này cần phải được kiểm tra riêng theo từng hoạt động cụ thể Khi giai đoạn này cho kết quả khả quan, cả toàn bộ bộ chuyển đổi được kết hợp để kiểm tra toàn bộ hệ thống trong các điều kiện khác nhau Điều này làm cho nó là một hệ thống có thể tích hợp thông minh cho hệ thống năng lượng độc lập hoặc nối lưới trong hệ thống điện hiện nay của Việt Nam.