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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đặng Thanh Phú Mã học viên: CQ02CH0006 Ngày, tháng, năm sinh: 10/05/1987 Nơi sinh: Uông Bí, Quảng Ninh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số:

1 Tên đề tài: Nghiên cứu hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà

2 Nội dung: Nghiên cứu hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà

3 Ngày giao nhiệm vụ: 16/10/2020 4 Ngày hoàn thiện nhiệm vụ: 15/5/2021

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

……… ………

Quảng Ninh, ngày 08 tháng 05 năm 2021

(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 08 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 08 tháng 05 năm 2021

Tác giả luận văn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1

TOE Đơn 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))

2 HES Hệ thống năng lượng lai 3 Inverter Bộ biến tần

4 PE Giao diện điện tử công suất

17 LUT Thuật toán bảng tra cứu

18 P&O Thuật toán làm nhiễu loạn và quan sát 19 Iref Dòng điện tham chiếu Iref

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Tỷ trọng sản xuất điện bằng nhiên liệu (2000-2040) [1] 6

Hình 1.2 Chia sẻ về sản xuất năng lượng tái tạo theo nguồn [1] 7

Hình 1.3 Hệ thống năng lượng lai điển hình 8

Hình 1.4 kết nối PE cho RES (a) Bộ tạo từ nguồn AC (b) Bộ tạo từ nguồn DC 12

Hình 1.5 Hệ thống điện tử công suất với lưới điện, tải/nguồn, nguồn chuyển đổi và kiểm soát 12

Hình 1.6 Bộ chuyển đổi tăng cường Buck-Buck đầu vào kép 15

Hình 1.7 Dạng sóng dòng điện và điện áp điển hình của bộ chuyển đổi đầu vào kép 15

Hình 1.8 Bộ chuyển đổi buck đầu ra kép đầu vào đơn 16

Hình 1.9 Cấu trúc liên kết chuyển đổi nhiều đầu vào-đầu ra 18

Hình 1.10 Bộ chuyển đổi ba cổng 19

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu ra kép 19

Hình 1.12 Dạng đồ thị dòng điện và điện áp bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu ra kép 20

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu vào kép 21

Hình 1.14 Dạng đồ thị dòng điện và điện áp bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu vào kép 21

Hình 1.15 Bộ chuyển đổi ba cổng ở chế độ một đầu vào-đầu ra 22

Hình 1.16 Bộ chuyển đổi DC-DC ba đầu vào 23

Hình 2.2 Đề xuất bộ chuyển đổi DC-DC kết hợp nhiều nguồn và hệ thống tích lũy 26

Hình 2.9 Sơ đồ khối điều khiển cho bộ DC-DC nguồn hỗn hợp 31

Hình 2.10 Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 34

Hình 2.11 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải có giá trị thay đổi 34

Hình 2.12 Đặc tính I-V khi cường độ bức xạ thay đổi và vị trí điểm MPP 35

Hình 2.13 Sơ đồ hệ thống MPPT điều khiển theo dòng điện tham chiếu Iref 36

Hình 2.14 Đường đặc tính quan hệ giữa công suất và dòng điện của pin mặt trời 36

Hình 2.15 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua dòng tham chiếu Iref 37

Hình 2.16 Sơ đồ khối phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 38

Hình 2.17 Đường đặc tính P-V với thuật toán P&O 39

Hình 2.18 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển trực tiếp 39

Bảng 3-1 Các thông số hệ thống cho các nghiên cứu mô phỏng 41

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng kịch bản 1 42

Hình 3.2 Đồ thị trong quá trình hoạt động trạng thái 1 43

Hình 3.3 Đồ thị trong quá trình hoạt động tại trạng thái 1: Công suất trên các cổng 44

Hình 3.4 (a) Điện áp trên các khóa S1 và S5, trên tải; (b) Dòng điện qua khóa S1 và tải 45

Hình 3.5 Công suất trên 2 đầu vào vả một đầu ra 45

Hình 3.6 (a) Sơ đồ mô phỏng kịch bản 3, (b) Công suất trên ba cổng 47

Hình 3.7 Công suất của của đầu vào và hai đầu ra 47

Hình 3.8 Đồ thị công suất một đầu vào hai đầu ra trong kịch bản 5 48

Hình 3.9 Dạng điện áp trên tải và trên khóa S5 48

Hình 3.10 Giá trị công suất đầu vào và ra của bộ chuyển đổi tại kịch bản 6 48

Hình 3.12 Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử 53

Hình 3.13 Đặc tính điện áp cực cửa 54

Hình 3.14 Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử 54

Hình 3.19 Hình ảnh cảm biến dòng ASC712 54

Hình 3.20 Hình ảnh cho hệ thống sử dụng bộ DC-DC hỗn hợp nguồn 56

Hình 3.21 Kết quả đo trên máy hiện sóng 57

Hình 3.22 Kết quả đo trên máy hiện sóng kịch bản 2, 58

Hình 3.23 Hiệu suất của bộ thực hiện tại các kịch bản 59

Hình PL1.1 Sơ đồ chân của bộ chuyển đổi 64

Hình PL1.2 Sơ đồ mạch in bộ DC-DC hổn hợp nhiều nguồn 65

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ILỜI CẢM ƠN IIDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT IIIDANH MỤC CÁC HÌNH IV

MỤC LỤC 1

1, Tính cấp thiết của đề tài: 3

2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài: 4

3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 4

4, Nội dung nghiên cứu: 4

5, Phương pháp nghiên cứu: 4

6, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: 4

7, Cấu trúc của luận văn: 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP 6

1.1 Giới thiệu 6

1.2 Hệ thống năng lượng hỗn hợp độc lập 7

1.3 Hệ thống nằng lượng hỗn hợp nối lưới 9

1.4 Ảnh hưởng của điện tử công suất trong các hệ thống năng lượng tái tạo 10

1.4.1 Biến tần trung tâm 13

2.2 Bộ chuyển đổi DC-DC độc lập và nối lưới 25

2.3 Kỹ thuật điều khiển cho bộ DC-DC hỗn hợp nhiều nguồn 31

2.3.1 Phân tích điều khiển các kịch bản của bộ chuyển đổi 31

* Kịch bản 1 31

* Kịch bản 2 32

2.3.2 Kỹ thuật điều khiển 33

2.3.2 Kỹ thuật điề khiển tìm điểm công suất cực đại 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

Phụ lục 1: Sơ đồ thiết kế mạch cho bộ chuyển đổi DC-DC hỗn hợp nhiều nguồn 64

MỞ ĐẦU

1, Tính cấp thiết của đề tài:

Mức tiêu thụ điện trên toàn cầu đang tăng lên từng ngày Sử dụng điện trên toàn thế giới dự kiến sẽ tăng trung bình 0,8% từ năm 2010 đến năm 2040 Để đáp ứng nhu cầu năng lượng to lớn này, cần phải tạo ra nhiều điện hơn Sản lượng điện dự kiến sẽ tăng 24% từ năm 2013 đến năm 2040 Các phương pháp sản xuất điện thông thường sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã mất đi tính tiện ích do phát thải khí độc hại, cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và môi trường các quy định Do đó, các nguồn năng lượng sạch, đáng tin cậy, khả thi và bền vững là rất quan trọng để phù hợp với nhu cầu công nghiệp hóa ngày càng tăng Trong những năm gần đây, trọng tâm của sản xuất năng lượng đã chuyển sang các phương pháp thay thế sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Những tiến bộ công nghệ đáng chú ý đã được thực hiện trong việc phát triển những nguồn năng lượng Đây là giải pháp cho vấn đề nhu cầu điện năng ngày càng gia tăng Các yếu tố chính đằng sau sự chuyển hướng của các phương pháp phát điện từ thông thường sang các thế hệ thay thế là sự cạn kiệt nhanh chóng của nhiên liệu hóa thạch, kỹ thuật và môi trường các quy định, thỏa thuận quốc tế về biến đổi khí hậu và nâng cao nhận thức của người dân về hệ thống phát điện dựa trên công nghệ xanh

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 Nhưng những nguồn này có những đặc điểm phân biệt riêng của chúng Do bản chất rời rạc của các nguồn năng lượng tái tạo, khả năng cung cấp điện liên tục không thể được đảm bảo Xử lý và tích hợp các nguồn điện đa dạng như vậy là không phải là một quá trình bình thường Nó đòi hỏi mức độ hiệu quả cao trong việc khai thác điện năng, chuyển đổi và sử dụng Những mục tiêu này chỉ có thể đạt được khi sử dụng phương tiện điện tử công suất hiệu quả cao, đáng tin cậy, an toàn và tiết kiệm chi phí Quyền lực các thiết bị điện tử đã có những bước phát triển vượt bậc trong thời gian gần đây Nhiều cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi đơn và đa cổng đã được phát triển để xử lý và cung cấp năng lượng tái tạo

Nhiều cấu trúc liên kết chuyển đổi đa cổng khác nhau đã được trình bày để tích hợp RES, tuy nhiên một số hạn chế đã được xác định trong các cấu trúc liên kết này về mặt hiệu quả, độ tin cậy, số lượng và kích thước thành phần Do đó, nghiên cứu sâu hơn là cần thiết để phát triển một hệ thống với giao diện nhiều cổng và giải quyết các vấn đề được nêu rõ Trong nghiên cứu này, một mạch điện tử công suất nhiều cổng để tích hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo được phát triển Các mạch được đề xuất đồng hóa các nguồn tái tạo để cung cấp năng lượng cho tải với các mức điện áp khác nhau trong khi duy trì hiệu suất và

độ tin cậy truyền tải điện cao với một cách đơn giản và đáng tin cậy Để giải quyết vấn đề

đặt ra ở trên, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà” để nghiên cứu

2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài:

- Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất hệ thống hỗn hợp với các nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống cung cấp cho tòa nhà hoặc hộ gia đình

- Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống hỗn hợp các nguồn có tích hợp hệ thống tích lũy năng lượng

- Nghiên cứu, đề xuất các phương pháp nâng cao tính ổn định và hiệu quả hệ thống hỗn hợp

-

3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng: nâng cao tính ổn định và hiệu suất hệ thống hỗn hợp nguồn năng lượng tái tạo

- Phạm vi: nâng cao hiệu suất của bộ chuyển đổi hỗn hợp cho hệ thống hỗn hợp nguồn tái tạo cho tòa nhà

-

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 hệ thống hỗn hợp

5, Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quát về hệ thống hỗn hợp

- Nghiên cứu các giải pháp nâng cao ổn định và hiệu suất hệ thống hỗn hợp

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 hỗn hợp nguồn tái tạo, nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất và tính ổn định hệ thống cho tải siêu nhỏ Đề suất các kiến nghị, giải pháp nâng cao hiệu suất và ổn định cho hệ thống hỗn hợp và có tích hợp hệ thống tích lũy cho tải siêu nhỏ Do vậy đề tài mang tính khoa học và thực tiễn cao

7, Cấu trúc của luận văn:

- Chương 1 Tổng quan các hệ thống năng lượng hỗn hợp

- Chương 2 Thiết kế bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống năng lượng hỗn hợp - Chương 3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cửa hệ thống thiết kế

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]

1.2 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]

1.3 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

1.4 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]

1.4.1 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

1.4.2 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

1.4.3 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

Nhiều ứng dụng yêu cầu một bộ chuyển 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 chuyển đổi với cấu hình cho phép dòng điện hai chiều này Các ứng dụng chính của bộ chuyển 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 [13]

Việc sử dụng bộ chuyển đổi đầu vào kép đầu ra đơn được tìm thấy trong một số hệ thống điện dựa trên năng lượng tái tạo Một bộ chuyển đổi không cách ly đầu vào kép, với tụ điện trung tâm có khả năng tăng cường nhiều chuỗi PV và theo dõi hai MPP với ứng suất điện áp giảm, tích hợp một số bảng PV và hoạt động trong dải điện áp rộng Bộ chuyển đổi DC-DC không cách ly được trình bày cho hệ thống năng lượng lai PV và pin trong Tương tự, việc sử dụng bộ chuyển đổi đầu vào kép đầu ra đơn cũng được tìm thấy trong các thiết bị di động Một dòng bộ chuyển đổi đa đầu vào mới dựa trên ba chân chuyển mạch được giới thiệu cho các ứng dụng điện áp thấp Trong cấu trúc liên kết này, số lượng nguồn đầu vào được tăng lên mà không cần sử dụng máy biến áp và có thể đồng thời cấp nguồn cho tải chung với hoạt động hai chiều Bộ chuyển đổi DC-DC đầu vào đơn đầu ra kép được đề xuất và phân tích cho nguồn điện áp cao và thấp, như thể hiện trong hình 1.6 Bộ chuyển đổi này là sự kết hợp của buck-boost và dụng cụ đổi tiền Bốn chế độ hoạt động được xác định dựa trên sự sẵn có của các nguồn điện áp đầu vào và trạng thái dẫn của các công tắc tương ứng của chúng (S1 và S2) Nguồn hạ thế Vlow được coi là nguồn đầu vào chính để cung cấp cho phụ tải cơ bản trong khi nguồn cao áp Vhi phục vụ cho nhu cầu phụ tải

Nguồn điện áp đầu vào (riêng lẻ và đồng thời) sạc cuộn cảm trong trạng thái bật của công tắc Khi công tắc bật, các điốt được phân cực ngược và khi công tắc tắt, các điốt D1 và D2 cung cấp đường dẫn để phóng điện dẫn dòng Các dạng sóng điển hình của điện áp cuộn cảm VL, dòng điện dẫn IL, và chu kỳ làm việc d1 và d2 được hiển thị trong hình 1.7 Nếu một trong các nguồn điện áp không có sẵn, nguồn khác sẽ cung cấp năng lượng cho tải Mối quan hệ điện áp đầu vào - đầu ra được suy ra từ điều kiện trạng thái cân bằng vôn-giây Điện áp đầu ra V0 có thể được biểu thị bằng:

(1)

Hình 1.6 Bộ chuyển đổi tăng cường Buck-Buck đầu vào kép

Hình 1.7 Dạng sóng dòng điện và điện áp điển hình của bộ chuyển đổi đầu vào kép

Trong đó d1 và d2 là tỷ lệ làm việc của các công tắc S1 và S2 tương ứng Để giảm thiểu tổn thất khi chuyển mạch và để cải thiện hiệu quả tổng thể, chuyển mạch không tổn hao thụ động được thêm vào trong mạch

* Bộ DC-DC một đầu vào và đầu ra kép

Bộ chuyển đổi đầu ra kép đầu vào đơn (SIDO) với ưu điểm là ít thành phần hơn và nhiều điện áp đầu ra đang được sử dụng rộng rãi trong xe điện [104], hiệu chỉnh hệ số công suất [105], liên kết USB [106], các ứng dụng di động như máy ảnh kỹ thuật số, di động điện thoại, thiết bị cầm tay, máy nghe nhạc MP3 và trình điều khiển đèn LED Một loạt các bộ chuyển đổi đa đầu ra không bị cô lập được phát triển từ các bộ chuyển đổi cuộn cảm đơn với việc bổ sung các kỹ thuật tụ điện chuyển mạch và ba bộ chuyển đổi điều chế độ rộng xung đầu ra kép (PWM) được tạo ra bằng cách tích hợp kỹ thuật đảo ngược dựa trên tụ điện chuyển mạch và kỹ thuật bẫy khởi động với kỹ thuật cơ bản tăng cường mạch Sau đó, nhiều cấu trúc liên kết khác được bắt nguồn từ loạt bộ chuyển đổi cơ bản này Bộ chuyển đổi dc – dc một đầu vào đơn lẻ không bị cô lập có thể cung cấp các đầu ra bước lên và bước xuống từ một nguồn dc duy nhất Trong cấu trúc liên kết này, công tắc điều khiển của bộ chuyển đổi tăng cường được thay thế bằng các công tắc mắc nối tiếp và sử dụng các nút chuyển mạch kết quả để có thêm đầu ra Nhiều bộ chuyển đổi SIDO khác nhau đã được báo cáo trong tài liệu Hình 1.8 mô tả một mạch của bộ chuyển đổi SIDO Hai khóa Q1 và Q2 là các công tắc được điều khiển, là điện áp đầu vào, V01 và V02 là hai điện áp đầu ra và hai điốt được biểu thị bằng D1 và D2 Ba lớp được khảo sát trong chế độ dẫn liên tục tùy thuộc

vào điện áp đầu vào-đầu ra, chu kỳ làm việc d1 và d2 của các công tắc tương ứng

Hình 1.8 Bộ chuyển đổi buck đầu ra kép đầu vào đơn

Trường hợp 1: d1> d2 Trong trường hợp này, trong khoảng thời gian m, cả hai công tắc đều được bật Cuộn cảm được tích điện với dòng điện IL = (Vin-Vo1)/L và điốt DB được phân cực ngược do thực tế Vo2>Vo1 Trong khoảng thời gian tiếp theo t2, Q1 vẫn sáng nhưng Q2 tắt, dòng điện cuộn cảm tăng lên với độ dốc (Vin-Vo2)/L và chạy qua điốt DBđến đầu ra Vo2 Trong khoảng thời gian t3 khi cả Q1 và Q2 đều tắt, dòng điện dẫn IL chạy qua cả hai điốt DA và DB và phóng qua Vo2 Trong lớp hoạt động này, cuộn cảm được tích

điện qua hai chu kỳ và được phóng điện đến hiệu điện thế đầu ra Vo2 trong chu kỳ cuối cùng

Trường hợp 2 d1 = d2: Trong trường hợp này, cả hai công tắc đều được bật Cuộn cảm được tích điện với dòng điện IL =(Vin-Vo1)/L và điốt DB bị phân cực ngược do Vo2> Vo1 Trong khoảng thời gian tiếp theo, khi cả hai Q1 và Q2 đều tắt, dòng điện chạy qua cả hai điốt và phóng điện đến đầu ra Vo2 Trong giai đoạn hoạt động này, cuộn cảm được tích điện trong một chu kỳ và được phóng điện đến điện áp đầu ra trong khoảng thời gian cuối cùng

Trường hợp 3: d1 <d2: Cả hai công tắc đều bật trong khoảng thời gian t1 Cuộn cảm được tích điện với dòng điện IL=(Vin-Vo1)/L và điốt DB bị phân cực ngược do thực tế Vo2> Vo1 Trong khoảng thời gian t2, công tắc Q2 vẫn bật nhưng Q1 bị tắt Dòng điện dẫn đi xuống Vo1 với độ dốc Vo1/L qua điốt DA

Trong khoảng thời gian t3, cả Q1 và Q2 đều tắt, dòng điện cuộn cảm chạy qua các điốt DA và DB với hệ số góc Vo2/L Tóm lại, khi công tắc Q1 ở trạng thái bật, năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm; khi Q1 ở trạng thái tắt, nguồn được chuyển đến một trong các đầu ra, tùy thuộc vào trạng thái của công tắc Q2

* Bộ chuyển đổi nhiều đầu vào-đa đầu ra

Đa đầu vào Bộ chuyển đổi đa đầu ra thường được sử dụng để lai giữa các nguồn năng lượng tái tạo và xe điện để có hiệu suất cao hơn, chi phí thấp và độ tin cậy cao hơn [122], [123] Đề xuất một bộ chuyển đổi tăng cường DC – DC Đa đầu vào Đa đầu ra sử dụng các nguồn năng lượng đầu vào đặc tính dòng điện áp khác nhau Trong cấu trúc liên kết này, ứng suất điện áp trên công tắc được giảm bằng cách tăng mức điện áp đầu ra [124] Một bộ chuyển đổi buck-boost nhiều đầu vào và đầu ra có khả năng chuyển một bước công suất từ nguồn sang tải được đề xuất trong Công suất đầu ra được điều chỉnh bằng cách sử dụng kết hợp kỹ thuật điều chế bỏ qua xung (PSM) và điều chế tần số xung (PFM) Nhiều đầu vào và một bộ chuyển đổi đa đầu ra được kết hợp để tạo ra một bộ chuyển đổi không cách ly đa đầu vào đa đầu ra mới có số phần tử ít hơn và một số đầu ra được đề xuất [126] Bộ chuyển đổi Buck-Boost DC-DC nhiều đầu vào đa đầu ra có nguồn gốc từ bộ chuyển đổi Buck-Boost ở định dạng ma trận được đề xuất trong Bộ chuyển đổi này được sử dụng để giao tiếp các tải DC và các nguồn đầu vào DC khác nhau trong một lưới vi mô dựa trên khái niệm chia sẻ nguồn có kiểm soát Các nguồn đầu vào được sử dụng trong nhiều phạm vi công suất và điện áp khác nhau và điện áp đầu ra thay đổi từ các giá trị thấp hơn đầu vào tối thiểu hoặc lớn hơn giá trị lớn nhất Phân tích với kết quả mô phỏng đã được trình bày Hình 1.9 cho thấy sơ đồ mạch của hệ thống được đề xuất Số lượng đầu vào và đầu ra được khẳng định là không giới hạn Tuy nhiên, các nguồn đầu vào không thể cấp nguồn cho các đầu ra đồng thời

Hình 1.9 Cấu trúc liên kết chuyển đổi nhiều đầu vào-đầu ra

Bộ chuyển đổi ba cổng đã thu hút sự quan tâm trong nghiên cứu gần đây Một bộ chuyển đổi ba cổng điển hình bao gồm một cổng nguồn điện áp, một cổng bộ lưu trữ và một cổng ra hoặc tải Bộ chuyển đổi này có thể hoạt động ở ba chế độ, tức là đầu vào kép, đầu ra kép và chế độ đầu vào một đầu vào-một đầu ra Nó hoạt động như một bộ chuyển đổi đầu vào kép nếu cả pin và nguồn đầu vào đang cung cấp năng lượng cho tải Nếu nguồn được tiêu thụ bởi tải và ắc quy, bộ chuyển đổi sẽ ở trạng thái đầu ra kép Nguồn đầu vào hoặc ắc quy có thể cung cấp năng lượng cho tải ở chế độ đầu vào đơn-đầu ra duy nhất Cấu trúc liên kết này có những ưu điểm như hiệu quả cao, kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy và quản lý điện năng tốt Do những ưu điểm này, chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo Bộ chuyển đổi ba cổng không bị cô lập với kết nối PV, ắc quy và tải được trình bày trong Với ít giai đoạn chuyển đổi hơn, mật độ công suất và độ tin cậy cao hơn đạt được và được xác minh bằng kết quả thực nghiệm Một vài dạng bộ chuyển đổi ba cổng không bị cô lập Bộ chuyển đổi ba cổng này được tạo ra bằng cách giới thiệu một bộ chuyển đổi đầu vào-đơn đầu ra trong bộ chuyển đổi đầu vào kép hoặc bộ chuyển đổi đầu ra kép Cách tiếp cận có hệ thống để lấy ra ba bộ chuyển đổi cổng từ đầu vào kép và kép bộ chuyển đổi đầu ra được giải thích trong [21] Một số cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi ba cổng (TPC) đã được tạo ra bằng quy trình này và một TPC loại tăng cường như trong hình 1.10 được phân tích ở chế độ đầu vào kép, đầu ra kép và đầu vào đơn-đầu ra duy nhất

Hình 1.10 Bộ chuyển đổi ba cổng

- Chế độ đầu ra kép: Bộ chuyển đổi ba cổng ở chế độ đầu ra kép được thể hiện trong hình 1.11 Ở chế độ này, công tắc S3 được giữ ở chế độ tắt Ba trạng thái chuyển mạch được giải thích trong một giai đoạn chuyển mạch Dạng sóng dòng điện và điện áp được thể hiện trong hình 1.12

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu ra kép

Trạng thái chuyển đổi 1: Khóa điện tử S1 khóa và S2 tắt Cuộn cảm Lf hấp thụ năng lượng từ điện áp đầu vào Vin và dòng điện ILf của nó tăng lên

(2)

Trạng thái chuyển đổi 2: khóa điện tử S1 là tắt và S2 là bật Ắc quy được sạc bởi cả cuộn cảm Vin và cuộn cảm Lf và dòng điện ILf của nó giảm

- Chế độ đầu vào kép: Bộ chuyển đổi ba cổng ở chế độ đầu ra kép được thể hiện trong Hình 1.13 Bốn trạng thái chuyển mạch được giải thích trong một giai đoạn chuyển mạch Dạng sóng điện áp và dòng điện đối với d1 > d2 được thể hiện trong hình 1.14

Trạng thái chuyển đổi I: Công tắc S1 và S3 đang bật Cuộn cảm Lf hấp thụ năng lượng từ điện áp pin Vb và ILf hiện tại của nó tăng lên

(9)

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu vào kép

Hình 1.14 Dạng đồ thị dòng điện và điện áp bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu vào kép

Trạng thái chuyển đổi II: Công tắc S1 bật và S3 tắt Cuộn cảm Lf hấp thụ năng lượng từ điện áp đầu vào Vin và dòng điện ILf của nó tăng lên

(13)

(14)

- Chế độ một đầu ra và một đầu vào: Mạch tương đương trong một đầu vào Trong chế độ này, công tắc S2 được giữ ở chế độ tắt và chế độ một đầu ra như trong hình 1.15 S3 được giữ ở trạng thái bật Ắc quy chỉ cung cấp cho tải và bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ chuyển đổi tăng áp Boost thông thường

Hình 1.15 Bộ chuyển đổi ba cổng ở chế độ một đầu vào-đầu ra

Bộ chuyển đổi boost DC-DC đa đầu vào kết hợp nhiều nguồn trong một cấu trúc thống nhất với năm giai đoạn chuyển đổi được giới thiệu trong [132] Hệ thống này cũng

có khả năng cung cấp công suất phản kháng cho phụ tải và lưới điện Kết quả mô phỏng đã xác minh các tính năng khác nhau Bộ chuyển đổi boost dc – dc ba đầu vào (Hình 1.16) được trình bày trong [22] Nó có một cổng hai chiều ngoài hai cổng đầu vào một hướng Cấu trúc liên kết này đã được báo cáo hữu ích cho việc tích hợp hệ thống năng lượng lai có phần tử lưu trữ và cung cấp tải riêng lẻ hoặc đồng thời Bốn công tắc nguồn được sử dụng với điều khiển độc lập và các chu kỳ nhiệm vụ khác nhau để cung cấp đầu ra được điều chỉnh Tính hợp lệ của bộ chuyển đổi và hệ thống điều khiển này đã được xác minh bằng kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với các điều kiện hoạt động khác nhau Kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng trạng thái ổn định và thoáng qua tốt của bộ chuyển đổi đối với những thay đổi từng bước trong quá trình tạo và yêu cầu tải Một nguyên mẫu công suất thấp với hiệu suất chấp nhận được sẽ xác minh kết quả mô phỏng Một cuộn cảm trong bộ chuyển đổi đầu vào kép đầu ra kép coi ắc quy là nguồn thứ hai được trình bày trong [134] Tuy nhiên, mạch sạc ắc quy không được điều khiển trong cấu trúc liên kết này

Hình 1.16 Bộ chuyển đổi DC-DC ba đầu vào

So sánh các cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi DC-DC đa đầu vào không cách ly: Mỗi cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi DC-DC không bị cô lập có giá trị và điểm yếu riêng do đó không có tiêu chí lựa chọn cụ thể để chọn bất kỳ cấu trúc liên kết cụ thể nào cho bất kỳ ứng dụng nào Tuy nhiên, các cấu trúc liên kết này có thể được so sánh theo các đặc điểm nhất định như chi phí, độ tin cậy, tính linh hoạt và hiệu quả Việc so sánh chỉ được thực hiện trên cơ sở của cấu trúc liên kết tổng hợp đơn giản Các lược đồ điều khiển và các thành phần bổ sung được thêm vào để đạt được các lợi ích bổ sung không được tính đến trong so sánh này

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 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

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP

2.1 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

2.2 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

- 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

= = (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=d1) do vậy thời gian mở các khóa điện tử sẽ khác nhau vì thông số của từngộ kết nối với nguồn khác nhau