Nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống ắc quy trên tàu hải quân

Lý do chọn đề tài Tính cấp thiết của đề tài Trong lực lượng của Hải quân hiện nay đã biên chế một số chủng loại tàu có sử dụng ắc quy AQ là nguồn năng lượng chính cho hệ thống năng lượn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



LÊ XUÂN CHÂU

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN TÀU HẢI QUÂN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số: 60.52.50

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng – Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Trịnh Trung Hiếu

Phản biện 1: PGS.TS Ngô Văn Dưỡng

Phản biện 2: TS Vũ Phan Huấn

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 13

tháng 5 năm 2017

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài (Tính cấp thiết của đề tài)

Trong lực lượng của Hải quân hiện nay đã biên chế một số chủng loại tàu có sử dụng ắc quy (AQ) là nguồn năng lượng chính cho hệ thống năng lượng trên tàu Thông thường tuổi thọ của AQ có giới hạn từ 2 -5 năm tùy theo chế độ khai thác sử dụng và bảo quản Với quá trình hoạt động và bảo dưỡng AQ cho các tàu quân sự phải tuân thủ nghiêm các cơ chế và quy trình, với những yêu cầu trên cho thấy năng lượng xả của tổ hợp AQ là một nguồn năng lượng rất lớn, tái tạo nguồn năng lượng này là một đòi hỏi cần thiết trong nhiệm vụ quốc phòng hiện nay Nhằm tiết kiệm tối đa nguồn tài nguyên có sẵn

và giảm chi phí cho phục vụ quốc phòng Các AQ trên tàu trên tàu gồm hai tổ hợp mắc song song với nhau, mỗi tổ hợp gồm 120 cái mắc nối tiếp với nhau, mỗi AQ có công suất tối đa là 11,5kW Một trong những yêu cầu bắt buộc là định kỳ 3 tháng mỗi tổ hợp AQ trên các tàu cần phải xả sâu để giải phóng các điện tử bám trên các cực của AQ tránh hiện tượng sunfat hóa các điện cực, đây là một hoạt động bắt buộc để tránh hiện tượng dung lượng ảo của AQ khi hoạt động lâu dài Khi phóng xả AQ trên tàu theo quy định giá trị dòng điện đầu ra dao động từ 800 – 850A và dòng điện này được duy trì trong suốt thời gian là 20h Khi xả thì tàu yêu cầu phải đậu tại cảng, hiện nay để xả nguồn năng lượng cho AQ bằng cách sử dụng hai động cơ đẩy chân vịt dưới tàu quay ngược nhau và đốt nóng nước biển thông qua các tấm bản cực sau đó xả lại xuống biển

Do đó, với mong muốn sử dụng chính nguồn năng lượng này tái tạo thành dạng năng lượng khác phù hợp để nạp lại các tổ hợp AQ khác dưới tàu, bằng cách là chuyển hóa nguồn năng lượng xả với dòng điện đầu ra không đổi thông qua bộ biến đổi DC-DC có thể điều chỉnh điện áp và dòng điện cấp cho động cơ DC lai MFĐ để nạp

cho các tổ hợp AQ khác trên tàu Hiện nay để nạp cho các AQ tại bến đều sử dụng nguồn năng lượng chính là máy phát – diesel, với mục đích là tận dụng các trang thiết bị sẵn có tại đơn vị

II Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu đề xuất và thực hiện giải pháp thu lại năng lượng

từ quá trình xả của hệ thống AQ dựa trên bộ biến đổi điện tử công suất lớn nhằm chuyển hoá nguồn năng lượng phóng xả của AQ một chiều thành nguồn điện DC có cấp điện áp khác cấp cho động cơ DC lai MFĐ xoay chiều 3 pha

III Ðối tượng và Phạm vi nghiên cứu

Tổ hợp AQ trên tàu

Bộ chuyển đổi điện tử công suất lớn DC-DC

IV Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các số liệu thực tế của các tổ hợp AQ trong quá trình làm việc trên tàu Hải quân kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm Matlab để tính toán thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng

V Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ứng dụng vào thực tế cho các đơn vị Hải quân để tận dụng tối đa nguồn nguồn năng lượng có sẵn nhằm tiết kiệm năng lượng

VI Cấu trúc của luận văn:

Luận văn có tổng cộng là 03 chương bao gồm:

Chương 1: Những nội dung cơ bản về AQ trên tàu Hải quân Chương 2: Các giải pháp thu hồi năng lượng từ hệ thống AQ Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng từ

hệ thống AQ

Kết luận và hướng phát triển

Chương 1: NHỮNG NỘI DUNG CƠ BẢN VỀ ẮC QUY TRÊN

TÀU HẢI QUÂN

1.2 Công dụng và cấu tạo AQ axít

1.2.1 Công dụng: AQ là nguồn năng lượng điện một chiều mà trong

nó ban đầu diễn ra sự tích luỹ năng lượng bằng cách biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng hoá học, và sau đó trả lại nguồn năng lượng này bằng cách biến đổi ngược lại từ năng lượng hoá học thành năng lượng điện.

1.2.2 Cấu tạo AQ axít

Hình 1.1 Cấu tạo cơ bản của AQ axít

1.4 Nguyên lý làm việc chung của ắc quy

1.4.1 Quá trình nạp điện của ắc quy

Pb

PbSO4

PbO2 PbSO4

H2SO4 H2O Trọng lượng riêng

Bộ nạp

Bộ nạp

H2O H2 O2

Hình 1.2 Minh họa quá trình điện hóa xảy ra khi nạp AQ axít

1.4.2 Quá trình phóng điện của ắc quy

- Tại cực dương: PbO2 + 2H+ + H2SO4 +2e → PbSO4 + 2H2O

- Tại cực âm: Pb + SO24 → PbSO4 + 2e

Phóng ← 2PbSO4 + 2H2O ↔PbO2 + 2H2SO4 + Pb → nạp

1.5 Các thông số của ắc quy

1.5.2.Các thông số cơ bản của AQ trên tàu Hải quân

- Khối lượng có cả dung dịch điện ly (đầy dung dịch) 805 kg;

- Khối lượng không có dung dịch điện ly (khô) 635 kg;

- Nút thông hơi 1 cái;

- Thiết bị khuấy trộn dung dịch

- Tấm ngăn cách giữa các bản cực 116 cái;

1.8 Đề xuất thông số chung của bộ xả cho hệ thống AQ

Dung lượng xả trong 1h của một tổ hợp AQ là 200kW, điện

áp là 256V, dòng điện xả là 800A, thời gian xả là 20h Hiện tại nguồn năng lượng này được xả bằng cách dùng hai động cơ lai chân vịt ngược chiều nhau khi tàu tại bến, nó được xem là nguồn năng lượng tiêu hao vô ích Vì vậy, hướng luận văn nghiên cứu đề xuất phương án sử dụng lại nguồn năng lượng này thành một dạng năng lượng khác phục vụ lại quá trình khai thác và bảo quản AQ

1.9 Kết luận

Trong chương 1 đề cập đến những kiến thức liên quan đến quá trình phóng nạp cơ bản của AQ axít nói chung và những đặc tính riêng biệt đối với AQ axít trên tàu Từ những yêu cầu trong các chế

độ khai thác, bảo dưỡng của AQ trên tàu cần tuân thủ nghiêm ngặt và đúng quy trình nhằm tăng tuổi thọ cho AQ Do đó, việc xả năng lượng của AQ là một trong những yêu cầu bắt buộc để đảm bảo đặc tính làm việc cho nên cần phải có phương án để tái tạo lại nguồn năng lượng này một cách có ích và phục vụ lại chính quá trình làm việc của AQ

Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ HỆ

THỐNG AQ 2.1 Các dạng chuyển hóa năng lượng từ AQ

2.1.1 Chuyển hóa NL thành nhiệt năng để chưng cất nước biển 2.1.2 Trả năng lượng về nguồn bằng phương pháp nghịch lưu 2.1.3 Chuyển hóa năng lượng thành cơ năng quay MFĐ nạp cho các hệ thống AQ khác

GENERATOR

3 phases 380VAC, 50Hz, 600KW 1500v/p

+ -

Hình 2.1 Mô hình động cơ DC lai máy phát điện xoay chiều

thông qua bộ chỉnh lưu nạp cho AQ

Hình 2.2 Sơ đồ bốn chế độ nạp cho AQ ở chế độ nạp bổ sung

2.1.4 So sánh các phương pháp thu hồi năng lượng từ AQ Phương

Chưng cất

nước biển

thành nước

cất

- Thiết kế đơn giản

- Chi phí ban đầu thấp

- Tái sử dụng trong quá trình làm việc của hệ thống AQ

- Liên tục thay các thiết bị đốt sau mỗi lần xả

- Tuổi thọ của các thiết bị thấp vì phải tiếp xúc thường xuyên với môi trường nước mặn

- Thiết bị cồng kềnh, qua nhiều công đoạn

Trả năng

lượng về

lưới

- Thiết bị gọn nhẹ, bộ inverter DC-AC

- Ít hao mòn về thiết

bị

- Ít bị tổn hao về công suất

- Giám sát dễ dàng

- Giảm được nhiều nhân viên vận hành, giám sát, trực canh

- Chi phí ban đầu tương đối cao

- Trả năng lượng về nguồn chưa có cơ chế đầu ra nên năng lượng đó được xem không có giá trị trong quá trình tái sinh phục vụ lại quá trình làm việc của AQ

- Chất lượng điện lưới thiếu ổn định khó trong quá trình kết nối lưới Chuyển hóa

- Thiết bị cồng kềnh

- Có tổn hao về cơ khí

- Có khả năng thừa hoặc thiếu công suất

2.2 Lựa chọn và tính toán các phần tử bộ DC/DC

2.2.1 Giới thiệu tổng quan về các bộ biến đổi DC/DC có cách ly

2.2.1.1 Bộ biến đổi kiểu Flyback

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của mạch Flyback

2.2.1.2 Mạch Forward

Thực chất mạch forward là một mạch giảm áp (buck) có bổ sung thêm MBAđể cách ly giữa đầu vào và đầu ra

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc mạch Forward

2.2.1.3 Mạch nửa cầu ( Half Bridge - HB)

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc mạch Half Bridge

2.2.1.4 Mạch toàn cầu đôi chủ động - Dual active bridge ( DAB)

Hình 2.9 Giản đồ nguyên lý mạch DAB

2.3 Tổng quan về mạch DAB

2.3.2 Nguyên lý làm việc của mạch DAB

Các khóa S1, S8 đươc điều khiển theo xung vuông bằng phương pháp thay đổi góc lệch pha ( phase shift) Ở phần sơ cấp các khóa sẽ được điều khiển chéo với nhau S1 và S3 sẽ cùng chung xung điều khiển S2, S4 sẽ cùng chung xung điều khiển và lệch 1800

với xung của S1,S3 Tương tự như vậy, ở phía thứ cấp các IGBT cũng sẽ được điều khiển theo từng cặp, (S5,S7) và (S6,S8) Hai cầu sẽ lệch

pha nhau 1 góc là φ Như vậy tương ứng cặp (S5,S7) sẽ lệch pha với cặp (S1,S3) một góc là φ, và cặp (S6,S8) sẽ lệch với cặp (S2,S4) một góc φ Góc lệch φ là một thông số rất quan trọng, nó không những điều khiển lượng công suất truyền qua 2 cầu mà còn điều khiển hướng truyền công suất

Nếu 0<φ<180 , tức là cầu sơ cấp nhanh pha hơn cầu thứ cấp thì công suất sẽ truyền từ VBat đến VMoto và ngược lại Trong ứng dụng này thì dòng công suất chỉ đi một chiều từ AQ đến động cơ

DC, do đó mạch DAB sẽ truyền công suất theo chiều thuận (từ VBat

đến VMoto) ứng với góc lệch pha giữa 2 cầu là 0<φ<180

Hình 2.18 Giản đồ xung làm việc của IGBT

2.3.3 Phương án đề xuất mạch chuyển đổi DC/DC cho hệ thống

2.4 Các thông số đƣợc truyền qua mạch

2.4.1 Công suất truyền qua mạch

in out out

2.4.3 Các tổn hao trong mạch DAB [7]

d Hiệu suất của mạch DAB

Trong chương hai nghiên cứu các dạng của các bộ chuyển

đổi DC-DC có cách ly và đưa ra giải pháp tối ưu Với những yêu cầu

đặt ra đối với hệ thống thu nhận lại nguồn năng lượng từ AQ và phải

đảm bảo an toàn tuyệt đối cho toàn hệ thống thì giải pháp đưa ra là

lựa chọn được mạch chuyển đổi tối ưu về nhiều mặt như bộ chuyển

đổi DAB Khi đã có được phương thức tối ưu và tính toán các thông

số để lựa chọn các phần tử trong mạch cho phù hợp và chương tiếp

theo sẽ tính toán cụ thể cho các linh kiện trong mạch DAB

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU HỒI

NĂNG LƯỢNG TỪ HỆ THỐNG ẮC QUY

3.1 Tính chọn các phần tử chủ động trong hệ thống

Công suất cực đại của một nhánh DC/DC: P = 50kW

Điện áp đầu vào bộ DAB : Vin = 256VDC Điện áp đầu ra bộ DAB Vout = 250-300VDC

Tổn hao chuyển mạch IGBT

Psw Eoff.f (Eoff1Eoff 2) f 

Tổn hao máy biến áp

Dựa trên biểu đồ có thể thấy rằng hiều suất chung của mạch

DAB tương ứng với giá trị điện cảm rò là LK = 3μH tương đối cao

cao (86,5%), do đó ta chọn giá trị điện cảm rò tối ưu là Lk= 3μH

Hình 3.4 Hiệu suất của nhiều mạch nhánh

3.2 Tính toán thiết kế mạch điều khiển

Dòng điện ra của bộ sạc là giá trị phụ thuộc vào góc lệch giữa

2 cầu φ theo như biểu thức:

nV in 1Iout

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý chung của bộ điều khiển hệ

120

Ắc quy

So sánh với giá trị điện áp và dòng điện đặt

Tính toán giá trị góc lệch

Chân điều khiển

IGBT

Bộ phát xung điều khiển

Tính toán giá trị thời gian trễ xung điều khiển

Điên áp (V), Dòng điện (A) SOC (%)

Hình 3.5 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh

Mối quan hệ giữa trạng thái xả (SOC) và góc lệch pha :

1 SOC 20  bd

     Với: SOC: trạng thái xả của AQ

bd

 : Góc lệch ban đầu ứng với quá trình xả

3.2.2 Xây dựng mô hình điều khiển trong phần mềm MATLAB

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc chung của mạch điều khiển

Sơ đồ cấu trúc tính toán thời gian trễ

SOC(%)

+-

20

>20%

+

Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc khối tính toán thời gian trễ 3.3 Mạch mô phỏng đề xuất

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc của một nhánh chịu dòng tải 50A, 256V 3.4 Các kết quả mô phỏng trong Matlab

Điện áp và dòng điện rò qua cuộn dây của MBA cách ly

Hình 3.15 Điện áp (màu xanh), dòng điện rò (màu vàng) qua

cuộn dây MBA

Hình 3.16 Dòng điện đầu ra của bộ DAB trong khoảng thời gian

0,0183s (từ 51,1 – 50,8A) 3.5 Tính toán hiệu quả của hệ thống và kết luận

3.5.1 Tính toán giá thành cho bộ chuyển đổi DC-DC DAB

Số lượng IGBT: 2 nhóm x 4 nhánh x 8 IGBT = 64

Biến áp cách ly: 2 cái/DAB x 4 nhánh x 2 nhóm = 16

Tụ lọc: 2 cái/DAB x 4 nhánh x 2 nhóm = 16

Bảng 3.4 Bảng giá thành các thiết bị Tên thiết bị SL Giá thành

Tên thiết bị SL Giá thành

3.5.2 Tính toán lƣợng tiêu hao nhiên liệu cho mỗi kW điện

Lượng tiêu hao nhiên liệu thực tế của diesel cho 1 giờ là 205 lít Nếu tính cho cả thời gian hoạt động là khoảng 19h thì mức tiêu hao nhiên liệu sẽ là 3895 lít

Từ sơ đồ thời gian nạp ở hình 2.2 ta có thể suy ra được tổng công suất cần nạp cho AQ sẽ là [(3600 x 4) + (1800 x 1.5) + (900 x 1.5) + (400 x 11)] x 256 ≈ 5,850MW Do đó ta có thể quy đổi để được 1kW điện sẽ tiêu tốn là 0.67 lít

Năng lượng chuyển đổi có thể được tính như sau:

Hiệu suất bộ chuyển đổi là 0,85

Hiệu suất chuyển đổi máy phát điện là 0,95

Hiệu suất của động cơ DC lai máy phát là 0,9

Năng lượng từ AQ thu về là (256 x 800) x 2 x 20 = 8,2MWh Điện năng thu được ở đầu ra máy phát là:

8200 x 0,85 x 0,95 x 0,9 = 6MWh

Với giá dầu hiện nay là 13,720đ/lít thì hiện nay giá 1kW điện nạp cho AQ khi chạy bằng MF diesel sẽ là 9135đ/kW Tổng lượng dầu tiêu hao để sản xuất ra 6MW sẽ là 53,439 triệu đồng

Với mỗi tàu một năm có 4 lần xả và tổng cộng 6 tàu vậy có tất cả 24 lần xả trong 1 năm Do đó, số tiền tiết kiệm trong một năm vào khoảng 1,28 tỷ đồng Nếu tuổi thọ của bộ xả có thể làm việc trong 5 -7 năm thì ta có thể thu về số tiền tương ứng khoảng từ 6,24 – 8,97 tỷ

3.6 Kết luận chương

Chương này tập trung tính toán các giá trị về điện áp và dòng điện trên một nhánh nhỏ của bộ chuyển đổi nhằm đưa ra những giải pháp phù hợp trong việc lựa chọn các linh kiện đảm bảo đầy đủ công suất và giảm giá thành của sản phẩm Đặc biệt là đối với sự lựa chọn mạch DAB có thể truyền công suất được cho cả hai chiều cho nên việc tính toán cụ thể là hết sức cần thiết để lựa chọn góc mở và độ lệch của hai cầu dẫn nhằm xác định hướng truyền công suất qua mạch Trên cơ sở lý thuyết chung về điện tử công suất, bộ chuyển đổi DC-DC cách ly và thực tế tính toán để đảm bảo cho hướng truyền công suất đi theo một chiều từ AQ đến phụ tải, không cần

truyền công suất ngược lại thì góc φ = 0 ÷ π

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trên cơ sở tính toán giữa lý thuyết và thực tế của luận văn cho thấy việc thu hồi năng lượng từ AQ của các tàu Hải quân có nhiều phương pháp để thực hiện Tuy nhiên giải pháp dùng bộ chuyển đổi DC-DC dùng mạch DAB là mạch chuyển đổi nguồn điện

DC có thể điều chỉnh được dòng điện đầu ra ổn định cung cấp nguồn cho động cơ DC để lai MFĐ Hệ thống này có nhiều mặt ưu điểm hơn như tận dụng được những trang thiết bị sẵn có tại đơn vị (MFĐ, động cơ DC dự phòng lai chân vịt, bộ chuyển đổi điện áp nạp cho AQ) cung cấp lại nguồn điện nạp cho AQ khác hoặc cũng chính từ

nó có thể nối lưới vì điện áp do MFĐ tạo ra thuần sin không gây hại nhiều cho lưới, tuy nó là thiết bị hơi cồng kềnh về kết cấu cũng như gây ra tổn thất nhưng đảm bảo sự làm việc tin cậy và an toàn cho toàn bộ thiết bị khác

Trong chương 1 là những lý thuyết liên quan đến những đặc tính của AQ axít nói chung và AQ trên tàu Hải quân nói riêng Những đặc thù riêng biệt của AQ trên tàu khi nó là nguồn năng lượng chính do đó có những quy định rất nghiêm ngặt trong khai thác và bảo quản Quá trình bảo dưỡng AQ cần phải phóng xả và nguồn năng lượng này để giải phóng các điện tử bám vào các cực của AQ, khi xả nguồn năng lượng này rất lớn và nó đang tiêu hao vô ích thông qua quay hai động cơ lai chân vịt quay ngược chiều nhau khi tàu neo tại bến hoặc đốt nóng nước biển trong suốt thời gian là 20h

Với chương 2 của luận văn đã đưa ra phương án nhằm thu hồi năng lượng xả của AQ, do yêu cầu đòi hỏi phải cách ly và đảm bảo an toàn cho toàn hệ thống thiết bị cũng như tận dụng các trang thiết bị hiện có thì trong chương này đã đưa ra phương án sử dụng bộ chuyển đổi cách ly DC-DC để cấp nguồn với dòng điện không đổi