Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới có hệ thống tích trữ năng lượng

ĐỒ ÁN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP: Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới có hệ thống tích trữ năng lượng, tìm hiểu các tấm pin PV, bộ tăng áp, bộ nghịch lưu, bộ sạc, thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT.

Phân loại hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On-grid)

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới là hệ thống sử dụng phổ biến nhất hiện nay, nguồn điện mặt trời tạo ra được ưu tiên dùng cho các thiết bị điện Khi nhu cầu sử dụng điện lớn hơn lượng điện từ hệ thống điện năng lượng mặt trời tạo ra, hệ thống sẽ lấy điện lưới quốc gia để sử dụng Khác biệt so với hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập, hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới không có bộ ắc quy lưu trữ và được đấu nối hòa chung với mạng điện lưới của EVN

Hình 1.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

• Chi phí đầu tư ban đầu thấp

• Hệ thống lắp đặt đơn giản

• Có thể bán điện dư thừa cho điện lưới Quốc gia

• Vận hành tự động, ít phải bảo trì

• Giảm tải cho điện lưới quốc gia

• Khi điện lưới mất thì hệ thống điện mặt trời cũng tự ngắt để đảm bảo an toàn

• Khó lắp đặt đối với những nơi đang không mua điện trực tiếp từ điện lực nhà nước (EVN)

• Nơi có điện lưới ổn định

• Muốn giảm chi phí tiền điện bằng cách vừa giảm lượng điện lưới sử dụng, đồng thời vừa bán lại điện dư thừa cho điện lực.

Hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-grid)

Với hệ thống điện mặt trời độc lập, hệ thống sẽ sản xuất ra điện sau đó dẫn điện đến các bình ắc quy để lưu trữ điện Hệ thống này hoạt động độc lập, hoàn toàn không phụ thuộc vào nguồn điện lưới Quốc gia

Hình 1.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập

• Điện vẫn hoạt động trong trường hợp điện lưới mất

• Không phụ thuộc vào hệ thống điện lưới nên thường sử dụng cho các thiết bị điện lưu động

• Chi phí đầu tư hệ thống cao vì phải có thêm các thiết bị lưu trữ năng lượng như ắc quy, bộ điều khiển sạc, biến tần độc lập

• Do bộ ắc quy hoạt động liên tục nên sẽ bị giảm tuổi thọ sử dụng, nên phải thay thường xuyên

• Hiệu suất thấp do hao hụt điện năng lớn vì qua nhiều thiết bị chuyển đổi

• Hệ thống phức tạp dẫn đến có thể phát sinh về hư hỏng trong quá trình vận hành

• Hệ thống điện mặt trời độc lập phù hợp với địa điểm không có điện lưới Quốc gia hoặc nơi có nguồn điện lưới không ổn định như miền núi

• Các thiết bị lưu động sử dụng điện hoặc các đèn giao thông công cộng.

Nội dung của đề tài

Chương 2: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có tích trữ năng lượng

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

5 Khung, giá đỡ & dây cáp

Chương 3: Kết luận và kiến nghị

7 Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài: ………

8 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: ………

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ NGƯỜI HƯỚNG DẪN

(Ký tên và ghi rõ họ tên) (Ký tên và ghi rõ họ tên)

DUYỆT CỦA KHOA TS QUÁCH NGỌC THỊNH

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Quý Thầy Cô Khoa

Kỹ Thuật Điện, Trường Bách Khoa, Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đề tài “tìm hiểu hệ thống năng lượng mặt trời hoà lưới có tích trữ, hướng tới mô phỏng điều khiển”

Em xin chân thành cảm ơn thầy Quách Ngọc Thịnh đã tận tình quan tâm hướng dẫn em trong suốt thời gian qua Do còn việc hạn chế về chuyên môn và thiếu kinh nghiệm làm bài nên đồ án của em còn nhiều khiếm khuyết, sai sót Em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp cũng như những lời khuyên hữu ích từ thầy để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết quả hoàn thiện hơn và tạo tiền đề cho em sau này hoàn thiện luận văn tốt hơn

Cuối cùng, em kính chúc quý Thầy/Cô thật nhiều sức khỏe và tràn đầy nhiệt huyết để tiếp tục dẫn dắt nhiều thế hệ sinh viên theo ngành học cao quý và thiêng liêng này

Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng, năng lượng càng thể hiện vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Các nguồn năng lượng đang được sử dụng như nguồn nguyên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá ) cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp khác đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, cạn kiệt nguồn nước tại nhiều nơi do không có mưa Trước tình hình đó, vấn đề phát triển nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng là cần thiết, đòi hỏi sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu

Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt

Do lợi ích rõ rệt về giảm chi phí lắp đặt và có thêm thu nhập nhờ bán điện lại cho công ty điện lực Nên hệ thống điện mặt trời hòa lưới chiếm đa số ở Việt Nam

Hiện tại, pin mặt trời vẫn được xem là nguồn năng lượng đắt đỏ Vì vậy, cần phải khai thác công suất lớn nhất có thể từ pin mặt trời Có nhiều phương pháp dò tìm điểm cực đại của tấm pin mặt trời ví dụ như dùng sensor hay thuật toán… Do đó tác giả chọn đề tài “tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới có tích trữ, mô phỏng điều khiển” Nhằm hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của hệ thống điện mặt trời hoà lưới và thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại của tấm pin

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu chi tiết sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động các thành phần bên trong hệ thống điện mặt trời hoà lưới và các thuật toán tìm điểm công suất cực đại của tấm pin, hướng tới mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của các tấm pin năng lượng mặt trời

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

1.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam và Thế giới 1

1.2 Phân loại hệ thống điện mặt trời hòa lưới 5

1.2.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On-grid) 6

1.2.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-grid): 7

1.2.3 Hệ thống điện mặt trời hỗn hợp (Hybrid): 8

1.3 Nội dung của đề tài 9

TÌM HIỂU VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 10

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống pin mặt trời hòa lưới có tích trữ 10

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 11

2.4 Bộ tăng áp DC-DC 16

2.5 Nghịch lưu nguồn áp 3 pha 20

2.6 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 30

2.6.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observer) 33

2.6.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) 36

2.8 Giới thiệu chung về pin Lithium Ion 41

2.9 Khung, giá đỡ và dây cáp 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46

Hình 1.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 6

Hình 1.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập 7

Hình 1.3 Hệ thống điện mặt trời hỗn hợp 8

Hình 2.1 Mô hình hệ thống pin mặt trời hòa lưới có tích trữ 10

Hình 2.2 Sơ đồ đấu nối hệ thống hoà lưới 11

Hình 2.3 Hướng quay của Trái Đất theo năm 12

Hình 2.4 Thành phần của pin năng lượng mặt trời 12

Hình 2.5 Tấm pin đơn tinh thể 13

Hình 2.6 Tấm pin đa tinh thể 14

Hình 2.7 Tấm pin màng mỏng 14

Hình 2.8 Ccác bộ điều khiển sạc cơ bản 15

Hình 2.9 Sơ đồ mạch bộ điều khiển sạc 15

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mạch boost 17

Hình 2.11 Mạch bắt đầu làm việc khi Mosfet đóng 17

Hình 2.12 Tụ điện được nạp và dòng qua tải là dòng qua diode 18

Hình 2.13 Dòng qua tải được duy trì nhờ tụ điện 18

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha 6 bước 20

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 1 21

Hình 2.18 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 1 21

Hình 2.29 Bộ so sánh ra tín hiệu điều khiển PWM 29

Hình 2.30 Điều chế độ rộng xung sin cho bộ nghịch lưu ba pha 30

Hình 2.31 Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại 31

Hình 2.32 Đặc tính I – V khi bức xạ thay đổi và vị trí các điểm MPP 31

Hình 2.33 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 32

Hình 2.35 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O 34

Hình 2.36 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref 35

Hình 2.37 Đường đặc tính P-V và thuật toán INC 36

Hình 2.38 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref 38

Hình 2.40 nguyên lý hoạt động của pin 40

Hình 2.41 Quá trình sạc của pin 41

Hình 2.42 Pin lithium cơ bản 42

Hình 2.43 Quá trình sạc - xả của pin 44Hình 2.44 cấu trúc giá đỡ cơ bản 45

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Tìm điểm công suất cực đại

DC Direct Current Điện một chiều

AC Alternating Current Điện xoay chiều

PV Photovoltaic Pin quang điện

P&O Perturb and Observer Nhiễu loạn và quan sát

INC Incremental Conductance Điện dẫn gia tăng

NLMT Năng lượng mặt trời

1.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam và Thế giới Đối với Thế Giới:

• Trung Quốc: Hiện được xem là quốc gia có khả năng sản xuất điện năng lượng mặt trời (điện mặt trời) lớn nhất trên thế giới với khả năng sản xuất lên đến

1330 Gigawatts (GW) mỗi năm Đây cũng là nước sở hữu dự án Điện mặt trời lớn nhất thế giới với công suất lên đến 1,547-MW ở sa mạc Tengger Cơ quan Năng lượng Quốc tế cho biết, vào năm 2018, Trung Quốc lắp đặt một nửa tổng công suất lượng năng lượng mặt trời mới trên toàn thế giới Đây cũng là đất nước đầu tiên lắp đặt hơn 100 Gigawatt công suất năng lượng mặt trời, tương đương với lượng điện được sản xuất từ 75 nhà máy năng lượng hạt nhân Tính đến đầu năm 2019, Trung Quốc sở hữu 6 trong 10 công ty sản xuất mô-đun năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới Việc phát triển thành công những dự ánđiện mặt trời này một phần là nhờ Trung Quốc là nhà sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới Mức sản xuất pin mặt trời tại quốc gia này hiện đã vượt qua mục tiêu của chính phủ về lắp đặt năng lượng mặt trời

• Nhật Bản: Với lợi thế là một cường quốc về khoa học - công nghệ phát triển bậc nhất trên thế giới, Nhật Bản cũng đã sớm nhận thức vai trò và tầm quan trọng của nguồn năng lượng sạch đối với phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Ngay từ năm 2008, Chính phủ Nhật Bản đã thực hiện chính sách hỗ trợ cho vay mua nhà sử dụng năng lượng tái tạo với thời gian trả nợ tối đa là 10 năm Trong đó, đối với những gia đình cải tạo nhà, chuyển sang sử dụng năng lượng mặt trời được vay số tiền tối đa lên đến 5 triệu yen, tương đương gần 5.000 USD Ngoài ra, Chính phủ Nhật Bản còn mua điện sản xuất từ năng lượng mặt trời với giá cao hơn giá thị trường và giảm giá bán các tấm pin năng lượng mặt trời Để tiếp tục thúc đẩy phát triển điện mặt trời, tháng 8/2011, Nhật Bản đã ban hành Luật Trợ giá (FiT) mua năng lượng tái tạo, khuyến khích người dân tự sản xuất điện mặt trời tại nhà và từ đó xây dựng các trung tâm điện mặt trời lớn và tập trung Luật FiT cho phép hỗ trợ giá điện sản xuất từ năng lượng mặt trời khi các doanh nghiệp tư nhân muốn đầu tư Giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2014, công suất lắp đặt điện mặt trời tại Nhật Bản tăng mạnh từ 5.000 MW lên 25.000 MW Đến nay, đã có khoảng 2,4 triệu khách hàng (bao gồm hộ gia đình, doanh nghiệp…) lắp đặt điện mặt trời áp mái ở Nhật Bản

• Mỹ: Là quốc gia dẫn đầu thế về phát triển năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng mặt trời cũng đã được quốc gia này quan tâm đầu tư phát triển từ khá sớm Năm 1982, tại bang California đã xây dựng nhà máy quang điện công suất 1

MW đầu tiên trên thế giới, nhờ việc tận dụng điều kiện lý tưởng về tự nhiên khi tại đây có khoảng 102,7 nghìn km2 là sa mạc nắng nóng - điều kiện lý tưởng để phát triển điện mặt trời Đến giai đoạn 2011-2014, cũng tại California đã xây dựng 2 nhà máy điện mặt trời lớn Đó là Trang trại quang điện Topaz (công suất 550 MW), với tổng mức đầu tư khoảng 2,5 tỷ USD Topaz được hoàn thành và đi vào hoạt động tháng 11/2014 Tại đây có khoảng 9 triệu tấm pin mặt trời được lắp đặt trên diện tích gần 25 km2 Cùng với đó là Nhà máy điện mặt trời Ivanpah (công suất 392 MW) có tổng vốn đầu tư khoảng 2,2 tỷ USD, được xây dựng trên diện tích khoảng 13 km2, tại sa mạc Mojave, bang California Nhà máy được khởi công xây dựng từ tháng 10/2010, đi vào vận hành từ tháng 2/2014 Khi vận hành hết công suất, hệ thống Ivanpah sẽ cấp điện đủ cho 140 nghìn hộ gia đình

• Thái Lan: Tại khu vực ASEAN, hiện nay Thái Lan được đánh giá là quốc gia dẫn đầu khu vực trong sử dụng điện mặt trời Theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế, Thái Lan xếp thứ 15 trong Top toàn cầu năm 2016, với công suất hơn 3.000

MW, cao hơn tất cả các nước ASEAN khác cộng lại Dự kiến, công suất lắp đặt điện mặt trời tại Thái Lan đến năm 2036 là 6.000 MW

Thái Lan là nước đầu tiên áp dụng biểu giá FiT (trợ giá) cho năng lượng tái tạo; trong đó các dự án năng lượng mặt trời nhận được FiT cao nhất, với mức 23 cent/kWh cho 10 năm Sau đó, chương trình này được thay thế bằng chương trình FiT 25 năm với giá 17 đến 20 cent/kWh tùy thuộc vào loại máy phát điện

• Singapore: Là một quốc gia điển hình trong phát triển năng lượng sạch, trong đó điện mặt trời và điện gió là những ưu tiên hàng đầu

Bộ điều khiển sạc

Hệ thống hỗn hợp cần phải có bộ điều khiển sạc cho acquy, dưới đây là hình các bộ sạc

Dựa trên cơ sở so sánh điện áp của IC khuếch đại thuật toán đối chiếu với lưu lượng điện trong bình mà mạch dưới đây có khả năng nạp tự động điều chỉnh lượng điện áp nạp cho bình:

Hình 2.8 Ccác bộ điều khiển sạc cơ bản

Hình 2.9 Sơ đồ mạch bộ điều khiển sạc

Nguyên lý hoạt động rất đơn giản như sau : Điotzen tạo điện áp tham chiếu ở đây sử dụng điotzen 6V Nhờ điot này mà điện áp tham chiếu vào chân 2 luôn được giữ cố định dù bình đã vơi điện

Biến trở và các điện trở phân áp vào chân số 3 lấy điện áp thực tế của bình so sánh với điện áp tham chiếu ở chân số 2 Khi điện áp của bình chứa đầy điện áp ở chân số 3 nhỏ hơn điện áp chân 2 đầu ra khuếch đại thuật toán ở mức 0 , rơle chưa có điện áp kích mở , dòng điện được nạp ở bình nhờ cầu điot Khi bình đầy chân số

3 điện áp lớn hơn điện áp so sánh , lúc này chân 6 cấp dòng kích mở transitor đóng điện cho rơle, khi đó sẽ cách ly bình với dòng nạp , đèn led báo sáng , khi đó ta có thể ngắt bình ra được

Chú ý: bình ắc quy đầy ở điện áp tầm 13,7V sử dụng biến trở điều chỉnh đúng điện áp sao cho rơle tự ngắt ở điện áp này, nếu không có điotzen 6v thì dùng điotzen 3v vẫn được nhưng cần phân áp lại, IC ở đây là Lm741 có thể thay thế bằng các loại khác như Lm358, 324 Cần xác định đúng chân trước khi dùng

Dòng nạp nhỏ hơn 1/10 dung lượng ắc quy sẽ kéo dài tuổi thọ của bình , với loại bình 25A thì biến áp chọn loại 3A là hợp lý

Rơle sẽ không đóng ngay lập tức mà từ từ do đó sẽ điều chỉnh được dòng nạp hợp lý ta không cần băn khoăn về điều này.

Bộ tăng áp DC-DC

➢ Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý

Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC (hay DC-DC converter) là bộ chuyển đổi nguồn

DC sang DC có chức năng tăng điện áp (trong khi giảm dòng điện) từ đầu vào (nguồn cung cấp) đến đầu ra tải

Mạch này gồm 4 linh kiện điện tử cơ bản đó là cuộn dây L, khóa chuyển mạch Mosfet, diode D và tụ điện C

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mạch boost

Nguồn cho mạch tăng áp có thể đến từ bất kỳ nguồn DC phù hợp nào, chẳng hạn như pin lion, pin mặt trời, bộ chỉnh lưu và máy phát điện một chiều

Khi Mosfet dẫn (kích vào chân G) lúc này điện áp trên L bằng V, lúc này diode

D ngắt do bị phân cực ngược và nó sẽ cắt mạch tải ra khỏi nguồn đồng thời dòng trong cuộn dây L sẽ xuất hiện và tăng dân từ giá trị ban đầu là I, lúc này dòng qua tài được duy trì nhờ tụ C đóng vai trò là nguồn (Tụ C xả) Đến thời điểm ta cho Mosfet ngắt lúc này trên cuộn dây L xuất hiện một điện áp tự cảm chống lại sự giảm dòng I, Diện áp tự cảm này cộng với nguồn V có chiều dương đặt vào chân Anot của diode làm diode dẫn ngay lập tức và nó nạp bổ xung cho tụ C

Quá trình như vậy cứ lập đi lập và và có điện áp cấp cho tải

Hình 2.11 Mạch bắt đầu làm việc khi Mosfet đóng

Hình 2.12 Tụ điện được nạp và dòng qua tải là dòng qua diode

Hình 2.13 Dòng qua tải được duy trì nhờ tụ điện

Giá trị điện áp trung bình ngõ ra được tính bởi:

Giả sử không có tổn hao công suất, ta có:

. in out in in out out

Dòng điện trung bình đầu ra tính theo công thức:

Tổng trở vào của bộ tăng áp là:

Giá trị đỉnh đối đỉnh của dòng điện dao động qua cuộn dây:

Giá trị điện áp trung bình ngõ ra được tính bởi:

Giả sử không có tổn hao công suất, ta có:

. in out in in out out

Dòng điện trung bình đầu ra tính theo công thức:

Tổng trở vào của bộ tăng áp là:

Giá trị đỉnh đối đỉnh của dòng điện dao động qua cuộn dây:

Giá trị đỉnh đối đỉnh của điện áp dao động trên tụ điện: a c

 = fC (2.11) Điều kiện để dòng điện qua cuộn dây và điện áp trên tụ điện liên tục:

Nghịch lưu nguồn áp 3 pha

Nghịch lưu áp là biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý

➢ Sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động:

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha 6 bước

Bước 1: trong khoảng thời gian từ 0 o -60 o : S1, S5, S6 dẫn

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 1

Hình 2.18 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 1 Bước 2: trong khoảng thời gian từ 60 o -120 o : S1, S2, S6 dẫn

Hình 2.28 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 6

➢ Mối quan hệ giữa điện áp DC và AC: Điện áp dây tức thời, uab, có thể được thể hiện trong chuỗi Fourier, uab bị lệch pha π/6 và sóng hài bậc chẵn bằng không

• Trong PT (2.12), PT (2.13), PT (2.14), sóng hài bậc nhân 3 (n = 3, 9, 15, ) sẽ bằng không trong điện áp dây

• Giá trị hiệu dụng của điện áp dây có thể được tính bởi:

• Khi n = 1, giá trị hiệu dụng của thành phần cơ bản:

• Giá trị hiệu dụng của điện áp pha:

• Với tải trở, diode hồi tiếp không hoạt động

• Đối với tải nối sao, điện áp pha tức thời (thứ tự thuận lấy dấu “-”, n = 1, 7,

13, 19, ; thứ tự nghịch lấy dấu “+”, n = 5, 11, 17, 23, ) Thành phần thứ tự phụ thuộc vào bậc sóng hài

• Dòng điện tức thời pha a với tải RL:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) s s ab a bc b ca c u t i t = u t i t + u t i t + u t i t (2.25) i a(t), ib(t), ic(t): dòng điện 3 pha trong tải nối tam giác

• Giả sử rằng điện áp AC ngõ ra là sin Nguồn cung cấp là không đổi nên: us(t) = Us, ta được:

• Dòng điện DC có thể được tính đơn giản như:

Vì biên độ của điện áp pha ở tần số cơ bản trong vùng tuyến tính (M ≤ 1) là

Us/2 nên biên độ của điện áp dây ở tần số cơ bản là 1 3

➢ Phương pháp điều chế độ rộng xung sin

Các bộ nghịch lưu có điện áp ra có chứa nhiều sóng hài Để nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu, bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) được đưa ra nghiên cứu và ứng dụng

Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của một bộ nghịch lưu là mức độ gần sin chuẩn của điện áp và dòng điện đầu ra Trong tất cả các bộ nghịch lưu thì bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung sin được đánh giá là bộ nghịch lưu cho phép đưa ra dạng sóng gần sin nhất

Nội dung cơ bản của kỹ thuật này là chia mỗi nửa chu kỳ dòng điện hay điện áp ra gồm nhiều đoạn hình chữ nhật có độ rộng thích hợp Ưu điểm của kỹ thuật này là :

- Các thành phần điều hoà của điện áp hoặc dòng điện ra bị đẩy sang phía tần số cao do đó dễ lọc

- Cho phép thay đổi điện áp ra bằng sơ đồ có hai khoá chuyển mạch trong một pha

Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM được sử dụng nhiều nhất là luật so sánh Tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn sẽ được so sánh với các xung hình tam giác Tần số chuyển mạch của nghịch lưu fcm bằng tần số xung tam giác fx có giá trị không đổi; tần số xung tam giác còn gọi là tần số mang Tần số tín hiệu điều khiển f1 có tên là tần số điều biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lưu Tần số tín hiệu điều khiển f1 có tên là tần số điều biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lưu

Trên Hình 2.29 biểu diễn sơ đồ khối khoá điều khiển của PWM Từ sơ đồ cho ta thấy: hai tín hiệu điều khiển Uđk và tín hiệu sóng mang Ux đưa vào bộ so sánh Khi hai điện áp này bằng nhau sẽ cho một xung, qua bộ chia xung ta đưa tới để điều khiển các thiristo tương ứng

Hình 2.29 Bộ so sánh ra tín hiệu điều khiển PWM

• Phát tín hiệu cổng được chỉ trong Hình 2.30

• Có 3 sóng tham chiếu hình sin (ura, urb, và urc), mỗi sóng lệch pha với nhau một góc 120 độ

• Một sóng mang được so sánh với một tín hiệu tham chiếu tương ứng với một pha để phát tín hiệu cổng cho pha đó So sánh tín hiệu sóng mang ucr với tín hiệu tham chiếu ura, urb, và urc sinh ra tín hiệu cổng g1, g3, g5 như trong Hình 2.30b

• Khi ura > ucr, khóa Q1 trong nhánh pha A đóng, khóa Q4 ngắt -> tín hiệu cổng g2, g4, g6 là ngược so với tín hiệu cổng g1, g3, g5

• Điện áp pha cho pha A và B là uan = Usg1 và ubn = Usg3 (Hình 2.30c) -> Điện áp dây ngõ ra: uab = Us(g1 - g3)

• Điện áp ngõ ra được tạo ra bởi điều kiện giới hạn hai khóa trong cùng một pha không thể dẫn đồng thời

• Chỉ số điều chế tần số mf nên là số lẻ nhân với 3 Vì thế, tất cả điện áp pha là đồng dạng nhưng lệch pha nhau 120 o và không có sóng hài bậc chẵn

Hình 2.30 Điều chế độ rộng xung sin cho bộ nghịch lưu ba pha

Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT

Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observer)

Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát (Sivagamasundari, 2013; Chaudhari, 2005)

Hình 2.35 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O

Hình 2.35 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV < 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 (ΔP >

0 và ΔV > 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP >

0 và ΔV < 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP <

0 và ΔV > 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

Hình 2.36 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref Giải thích thuật toán:

Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:

- Nếu ∆P ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref

- Nếu ∆P ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref

Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo

2.6.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance)

Hình 2.37 Đường đặc tính P-V và thuật toán INC

Thuật toán INC dựa trên thực tế như sau:

- Độ dốc của đường cong công suất bằng không tại điểm MPP (Chaudhari, 2005; Akihiro.Oi, 2005; Reisi, 2013; Hohm, 2003)

- Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP

- Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP Đặc tính P-V và thuật toán INC được minh hoạ trên hình dP/dV = 0, tại MPP dP/dV > 0, ở bên trái MPP dP/dV < 0, ở bên phải MPP

Vì: dP / dV d(IV) / dV I V(dI / dV) I V( I / V) nên ta có thể viết lại là

Lưu đồ thuật toán Hình 2.38 giải thích sự hoạt động của thuật toán INC điều khiển theo điện áp tham chiếu Các giá trị dòng điện và điện áp của PV được đo và sau đó sử dụng các giá trị tức thời và giá trị trước đó để tính toán các giá trị gia tăng của ∆I và ∆V Thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương trình ở Hình 2.38

- Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng điện áp của PMT

- Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm điện áp PMT

Hình 2.38 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref

 được thỏa mãn(chính là các điểm MPP) thì thuật toán này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh điện áp

- Một kiểm tra quan trọng của thuật toán này là phát hiện điều kiện của môi trường Nếu điểm hoạt động vẫn ở điểm MPP (điều kiện ΔV = 0) và điều kiện bức xạ không thay đổi (ΔI = 0) thì sẽ không phải điều chỉnh điện áp hoạt động Nếu như bức xạ tăng (ΔI > 0) thì điện áp MPP giảm nên thuật toán INC phải tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP Nếu bức xạ giảm (ΔI < 0) dẫn tới điện áp điểm MPP cao hơn,

Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance)

là các giá trị trước đó cho chu kỳ tiếp theo.

BATTERY (Ắc-quy)

Hệ thống hỗn hợp cần phải có acquy để lưu trữ, dưới đây là hình acquy

➢ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ắc-quy

Bình ắc quy axit gồm vỏ bình, bên trong có các ngăn riêng Số ngăn tùy thuộc vào điện áp định mức bình:-ắc quy 6V thường 3 ngăn (2,1V/1Cell)

+ ắc quy 12V thường 6 ngăn (2,1V/1Cell)

+ Chế tạo từ các loại nhựa ebonit, axphantopec

+ Để tăng độ bền vững và khả năng chịu axit, người ta ép vào bên trong bình một lớp lót chịu axit dày 0,6 mm bằng poluclovinlim > tăng tuổi thọ vỏ bình

+ Phía trong vỏ chia thành những vách ngăn riêng biệt, ở đáy mỗi ngăn có 4 sống đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống > tránh được hiện tượng chạm chập do sunfat lead tạp ra khi xả

+ Các ngăn ắc quy được nối tiếp với nhau bằng cầu nối > bình battery

- 2 Điện cực +, - từ Cell đầu và Cell cuối battery

- Dung dịch điện phân: H2SO4 + nước

• Nguyên lý hoạt động của ắc quy

- Tại cực âm: Pb > Pb trong dd điện phân > Pb2+ + 2e-(cọc âm có rất nhiều e)

- Tại cực dương: PbO2 > PbO2 + H20 > Pb4+ +4OH- (nhiễm điện dương)

- Cực âm dư e, cực dương thiếu e Nếu nối dây dẫn qua 2 cực qua 1 bóng đèn> tạo dòng điện, bóng đèn phát sáng

>> Khi đó: Battery phóng điện chì sunfat được hình thành ở hai điện cực + tạo nước > nồng độ dung dịch + sức điện động ắc quy giảm dần

Bản cực dương nối với nguồn điện có PbO2, bản cực còn lại có Pb, đồng thời gây hụt nước do thoát khí > thêm nước cất

Hình 2.40 nguyên lý hoạt động của pin

Giới thiệu chung về pin Lithium Ion

Ắc quy pin Lithium hay còn gọi là pin Li-ion hoặc pin Lithi-ion, đây là một loại pin thuộc công nghệ pin tiên tiến, có thể sạc được Pin Lithium ion viết tắt là LIB Ắc quy pin Lithium thường được sử dụng cho các thiết bị điện tử, xe điện di động và ngày càng phổ biến cho các ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ

Hình 2.41 Quá trình sạc của pin

➢ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin Lithium Ion

Cấu tạo pin lithium ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện Điện cực dương (Cathode)

Vật liệu dùng làm điện cực dương là LicoO2 và LiMnO4 Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+ Điện cực âm (Anode)

Cực âm được cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể

Hình 2.42 Pin lithium cơ bản

Bộ phân tách hay còn gọi là màng ngăn cách điện được làm bằng nhựa PE hoặc PP Bộ phận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức năng ngăn cách giữa cực dương và cực âm Tuy nhiên, các ion Li+ vẫn được đi qua

Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ Dung dịch có chức năng như vật dẫn các ion Li+ từ

Chất điện phân là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và xả pin Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin li-on là có độ dẫn ion tốt Cụ thể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C

Ion-liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion liti Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin thì ở mạch ngoài, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm Điều này tạo ra cân bằng điện tích giữa 2 cực

Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá trình xả Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trò cực dương) Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều

Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện.

Kiến nghị