Đồ án tốt nghiệp hệ thống năng lượng mặt trời

Khinguồn pin mặt trời hay máy phát pin mặt trời sinh ra nhiều năng lượng thì nguồnnăng lượng dư thừa này sẽ được chuyển vào trong lưới điện, còn trong những điềukiện thời tiết xấu, không

1.1.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời6

1.1.3 Tấm năng lượng mặt trời 9

1.1.4 Cách ghép nối các tấm pin mặt trời 10

1.1.5 Ứng dụng 13

1.3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC, DC/AC VÀ BỘ LƯU GIỮ NĂNG

1.3.1 Bộ biến đổi DC/DC 16

1.3.1.1 Phân loại bộ biến đổi DC/DC 17 1.3.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 22

1.3.2 Bộ biến đổi DC-AC 24

1.3.3 Bộ lưu trữ năng lượng 26

1.3.3.1 Các loại acquy 27 1.3.3.2 Các thông số chính của acquy 27 1.3.3.3 Các chế độ làm việc của bộ nạp acquy 30

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN 34

2.1.1 Mạch đo điện áp của pin mặt trời và acquy 37

2.1.2 Mạch đo dòng điện của pin mặt trời và acquy 40

CHƯƠNG 3: YÊU CẦU CÔNG NGHỆ, LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC S7-200 65 3.1 YÊU CẦU CÔNG NGHỆ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

65

3.3 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 72

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH: HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG

5.3 MÔ HÌNH TỔNG QUÁT CỦA BỘ NGHỊCH LƯU KẾT HỢP

5.4 PHÂN TÍCH TỪNG THÀNH PHẦN TRONG BỘ NGHỊCH LƯU

5.4.1 Mạch nghịch lưu 91

5.4.2 Tụ bù hệ số công suất 93

5.4.3 Mạch lọc đầu ra của bộ nghịch lưu 96

5.5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN97

5.5.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng – Current Controller (CC) 97 5.5.2 Khối Grid Synchonization – Hòa đồng bộ vào lưới (GS) 99 5.5.3 Khối Voltage Controller – Điều khiển áp (VC) 103

KẾT LUẬN 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng,năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng của mình và trở thành yếu tố khôngthể thiếu trong cuộc sống Tuy nhiên, trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngàycàng tăng, thì các loại năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt và trở nên khanhiếm

Một số nguồn năng lượng đã và đang được sử dụng phổ biến như: nguồnnguyên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá) đã cho thấy những tác động tiêu cực đếnmôi trường như: gây ô nhiễm bầu khí quyển, gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầngozon, là nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên, đe dọa cuốc sống các loài sinh vậttrên Trái Đất

Trong khi đó, nguồn năng lượng thủy điện lại không thể đáp ứng được nhu cầuđiện mà thế giới cần, mà nguyên nhân là do tình trạng hạn hán, dưới tác động củacác hiện tượng biến đổi khí hậu gây nên, làm mực nước trong các đập, hồ chứagiảm mạnh dưới mực nước chết Làm cho, các nhà máy thủy điện không thể phát đủcông suất, phục vụ cho đời sống và sản xuất

Để giải quyết tạm thời cho tình hình đó, nhiều nước đã cho xây dựng nhiều nhàmáy điện hạt nhân, biện pháp này giúp giải quyết “cơn khát điện” cho nhiều nước,đặc biệt là những nước không thể phát triển Thủy điện Tuy nhiên, hậu quả mà nómang lại đối với môi trường là vô cùng nghiêm trọng, nó đe dọa đến cuộc sống củatoàn bộ các loài sinh vật sống trên Trái Đất Mặt khác, dưới sự phản đối gay gắt củacác nhà bảo vệ môi trường thì loại hình nhà máy điện này, khó có thể mở rộng hơn Trước tình hình đó, yêu cầu phải tìm được nguồn năng lượng mới thay thế, chonhững nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt này, trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết,đòi hỏi sự quan tâm của cả thế giới

So với những nguồn năng lượng mới, đang được nghiên cứu và phát triển hiệnnay như: năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng mặt trời, năng lượng

địa nhiệt…thì năng lượng mặt trời được xem là có tính khả thi nhất vì: nó là mộtnguồn năng lượng rẻ, vô tận và sạch, không gây hại cho môi trường, dễ khai thác…

Đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học và hứu hẹntrong tương lai không xa nó sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất và phổ biếnnhất cho nhân loại

Trước những ưu điểm mà năng lượng mặt trời mạng lại, em đã chọn đề tài:

“Nghiên cứu - Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời” để làm Đồ án tốt

nghiệp

Trước tiên, em xin chân thành biết ơn thầy Nguyễn Mạnh Hà là người hướng

dẫn trực tiếp đã luôn luôn theo sát và tận tình chỉ dẫn em từng bước trong suốt quátrình thực hiện Đồ án tốt nghiệp này, giúp em có thể hoàn thành Đồ án một cáchhoàn thiện nhất và đúng thời hạn

Em xin được gửi đến tất cả các quý thầy, cô trong trường Đại Học Bách Khoa

Đà Nẵng, đặc biệt là bộ môn Tự Động Hóa - khoa Điện, lời biết ơn chân thành nhất,những người đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quýbáu của mình cho sinh viên chúng em để hoàn thành tốt chương trình học cũng nhưtrong công việc sau này

Cuối cùng, em xin cảm ơn tất cả gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm,giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2012

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

Ở chương này trình bày 3 nội dung chính:

+ Giới thiệu về Pin mặt trời - Ghép nối các tấm pin mặt trời - Ứng dụng

+ Chế độ làm việc của các hệ pin mặt trời làm việc với lưới

+ Các bộ biến đổi DC/DC, DC/AC và bộ lưu giữ năng lượng trong hệ thống pin mặttrời làm việc với lưới

1.1 GIỚI THIỆU VỀ PIN MẶT TRỜI

1.1.1 Định nghĩa

Pin mặt trời (PV – photovoltaic) còn gọi là pin quang điện, là thiết bị ứngdụng hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điệntrong quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều, từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặttrời thông dụng nhất hiện nay, là loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinhkhiết, là chất bán dẫn, dẫn điện rất kém vì: các điện tử bị giữ bởi lực liên kết mạng,nên hầu như trong tinh thể không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độkích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và

để lại một lỗ trống, tích điện dương Lúc này, chất bán dẫn mới dẫn điện

Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể: loại này có hiệu suất tới 16%, nên thường đắttiền do được cắt từ các thỏi hình ống

- Đa tinh thể: làm từ các thỏi, đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội

và làm rắn Loại này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suấtkém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặtnhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó

- Dải Silic: tạo từ các miếng phim mỏng Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinhthể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trongcác loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silic

Hình: Cấu tạo của pin mặt trời

Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại

P và loại N đặt sát cạnh nhau, có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua.Trên bề mặt của pin quang điện còn có một lớp chống phản xạ vì: khi ánh sángchiếu vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N,một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại,và một phần ánh sáng sẽ đến được lớpchuyển tiếp, nơi có các cặp điện tử và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặtgiới hạn.Với các bước sóng thích hợp, sẽ truyền cho điện tử một năng lượng đủ lớn

để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, điện tử

sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P Khi đónếu nối hai cực của hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giátrị của hiệu điện thế này, phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất

có trong chất bán dẫn đó

1.1.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

I / P

V Pmp

Voc Vmp

Imp

Isc

Hình 1.1 Đường đặc tính làm việc U & I của pin mặt trời

Đặc tính làm việc của Pin mặt trời thể hiện qua ba tham số là điện áp hởmạch , lúc dòng ra bằng 0, thông thường =0,6÷0,7 V, dòng điện ngắnmạch khi điện áp ra bằng 0 thông thường = 20÷40 mA và cuối cùng là

hệ số lấp đầy FF = đối với pin mặt trời silic, FF thường từ 0.6÷0,8.Công suất pin được tính theo công thức P = U.I (1-1)

Hình 1.2 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng V-A của pin như sau:

(1-2)Trong đó:

Isc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m2)

I01 là dòng bão hòa (A/m2)

q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19

thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = Vmp có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau.

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của đặc tính V-A của pin mặt trời

vào cường độ bức xạ Mặt trời.

 Điện áp hở mạch Voc , phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặctính V-A của pin mặt trời (PV – photovoltaic) cũng phụ thuộc vào nhiệt

độ của pin

Hình 1.4 Sự phụ thuộc đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin

 Để toàn bộ hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) có thể hoạtđộng được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phùhợp với đường đặc tính của pin mặt trời đó

Hình 1.5 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

Trên hình vẽ 1.5 đường OA và OB là những đường đặc tính tải Nếu tải được mắctrực tiếp với dãy pin mặt trời thì tải có đường đặc tính là OA Khi đó, pin làm việc ởđiểm A1 và phát công suất P1 Công suất tốt nhất thu được là P2 Để có thể thu đượccông suất P2, cần có một bộ điều chỉnh sao cho công suất cấp cho tải lúc đó bằng P2

1.1.3 Tấm năng lượng mặt trời

Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ nhiều pin mặt trời (PV – photovoltaic),được ghép lại với nhau Có thể gồm 36 đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp nhau Mỗipin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin đặt trải dài trênmột diện tích lớn, sẽ tạo nên nguồn năng lượng đủ lớn để các thiết bị điện sử dụng.Mỗi tấm pin mặt trời, có công suất khác nhau: 10W, 20W, 40W, 50W, 55W, 75W,100W, 200W Điện áp của các tấm pin lớn nhất có thể đạt 17,5VDC Công suất vàđiện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Các tấmpin mặt trời, có thể được ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành mộtdàn pin mặt trời Để đạt được hiệu năng tốt nhất, những tấm pin mặt trời phải luônđược phơi nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời

Hiệu suất thu được điện năng từ những tấm pin mặt trời, ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Chất liệu bán dẫn làm pin

- Vị trí đặt các tấm panel mặt trời

- Thời tiết, khí hậu, mùa trong năm

- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều

- Các tấm pin mặt trời có cấu tạo chắc chắn, để chịu được những tác độngkhắc nghiệt nhất của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn, sự oxi hoá Tuổithọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm

1.1.4 Cách ghép nối các tấm pin mặt trời

Như đã biết, các module pin mặt trời đều có công suất và điện áp ra xác định

từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và điện áp ra, theo yêu cầu thì buộc phải ghépnối nhiều module lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:

- Ghép nối tiếp các module sẽ cho điện áp ra lớn hơn

- Ghép song song các module sẽ cho dòng điện ra lớn

Trong thực tế, phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cảyêu cầu về điện áp và dòng điện

a Phương pháp ghép nối tiếp các module pin mặt trời:

(1-4)(1-5)(1-6)Trong đó:

I, P, V : là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

Ii, Vi, Pi : là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của module thứ i trong

hệ

Iopi, Vopi, Popi : là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công

suất làm việc tối ưu của các module thứ i trong hệ

Iop, Vop, Pop : là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công

suất làm việc tối ưu của hệ

Khi tải có giá trị 0 < R < , các module làm việc như các máy phát tương đương.Đường đặc tính V-A của hệ, bằng tổng hình học các đường đặc tính của các modulethành phần

b Phương pháp ghép song song các module pin mặt trời:

Ta cũng giả sử, các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hệtnhau, các thông số dòng ngắn mạch Isc, điện áp hở mạch Voc bằng nhau Giả sửrằng, cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau

(a) (b)

Hình1.7 Ghép song song hai module pin mặt trời (a)

và đường đặc tính V-A của các module và của cả hệ (b)

Khi đó ta có:

(1-8)(1-9)(1-10)

Đường đặc tính V-A của hệ cũng được suy ra bằng cách, cộng các giá trịdòng điện I ứng với các giá trị điện thế V không đổi Trong trường hợp này, các pincũng làm việc như các máy phát điện khi tải có giá trị 0 < R <

c Hiện tượng điểm nóng

Xảy ra khi, ta ghép nối các module không giống nhau, tức là khi các thông số ISC,

VOC, POPT của các module pin riêng lẻ là khác nhau Đây là hiện tượng, tấm pin yếu(tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn, hoặc khi nó bị chenắng trong khi các pin khác vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ công suất điện, do cáctấm pin khoẻ hơn phát ra và làm cho công suất điện mạch ngoài bằng 0 Phần nănglượng điện, mà tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khoẻ hơn sẽ biến thành nhiệt, làmnóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng Hiện tượng điểm nóng này, chỉ xảy

ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong hệ, làm hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kểhiệu suất biến đổi quang điện của cả hệ

Để tránh hiện tượng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin mặt trời cùng loại,

có cùng các thông số đặc trưng trong một dàn pin mặt trời Vị trí đặt, phải tránh cácbóng che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày có nắng, cũngnhư bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một vùng nào đấy của tấm pin Ngoài ra,trong trường hợp này ta còn có thể sử dụng các diode bảo vệ Như hình dưới đây:

Hình 1.8 Diode nối song song với module để bảo vệ module và dàn pin mặt trời.

Nhìn trên hình vẽ 1.8 ta thấy giả sử pin Ci là pin yếu nhất, được bảo vệ bằngdiode phân cực thuận chiều Dp, với dòng điện trong mạch mắc song song Trongtrường hợp hệ làm việc bình thường, các pin mặt trời hoạt động ở điều kiện nhưnhau thì dòng trong mạch không qua diode, nên không có tổn hao năng lượng Khi

có sự cố xảy ra, vì một nguyên nhân nào đó mà pin Ci bị che và bị tăng nhiệt độ,điện trở của Ci tăng lên, lúc này một phần hay toàn bộ dòng điện sẽ rẽ qua Diode đểtránh gây hư hỏng cho Ci Thậm chí, khi Ci bị hỏng hoàn toàn thì hệ vẫn có thể tiếptục làm việc

1.1.5 Ứng dụng

Hiện nay, sản phẩm dùng năng lượng mặt trời đã và đang xuất hiện nhiều trên thịtrường như: máy nước nóng dùng năng lượng mặt trời, hệ thống đèn báo hiệu dùngnăng lượng mặt trời, đèn báo giao thông, rồi đến nhiều ứng dụng khác như: xe con

sử dụng năng lượng măt trời, thậm chí nhiều nước tiên tiến còn khuyến khích xâydựng nhiều công trình công cộng (như : nhà ga, trạm chờ xe buýt, trạm sạc, ) dùngnguồn điện năng lượng mặt trời trong mọi nhu cầu như: sưởi ấm, chiếu sáng,

1.2 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC VỚI LƯỚI

Là hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) được kết nối với lưới điện

Hệ thống này, cho phép tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ,

và đồng thời cũng có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới điện để bán Khinguồn pin mặt trời (hay máy phát pin mặt trời) sinh ra nhiều năng lượng thì nguồnnăng lượng dư thừa này sẽ được chuyển vào trong lưới điện, còn trong những điềukiện thời tiết xấu, không có nắng hay mây mưa, máy phát pin mặt trời không sinh ra

trời (hệ PV – photovoltaic system) này có thể cần hoặc không cần ắc quy để dự trữnăng lượng.

Bộ biến đổi trong hệ này, không chỉ giúp ổn định nguồn năng lượng tạo bởinguồn pin mặt trời, mà còn phải đảm bảo nguồn điện năng ra khỏi hệ quang điệnphải đồng bộ với lưới

Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system), có thể trở thành một phần củalưới điện lớn Cấu trúc của hệ còn phụ thuộc vào quy mô của hệ và đặc tính phụ tải

sử dụng Khi hệ PV được mắc với lưới, nguồn công suất có hai chiều hướng Lưới

sẽ hấp thụ nguồn điện mặt trời và sẽ cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khi mà hệ PVkhông thể sinh ra điện vào thời gian yếu ánh sáng hoặc ban đêm Đây là hình thứcđang được khuyến khích phát triển ở nhiều nơi trên thế giới

a Yêu cầu về cấu tạo:

Hệ PV được nối với lưới điện ở đầu ra của bộ ngắt đồng bộ Dòng chảy công suấtphụ thuộc vào cả hai hướng của điểm tiếp nối với bộ ngắt Các yêu cầu cơ bản, đốivới điện áp tại điểm nối là như sau:

- Biên độ và pha của điện áp: phải cân bằng với biên độ và pha của dòng công suất Điện áp được điều khiển bằng hệ số biến đổi máy biến áp hoặc trong bộ DC/AC

- Phải đảm bảo đồng bộ với tần số của lưới bằng cách sử dụng tần số hệ làm tần

số chuẩn cho tần số đóng mở của bộ DC/AC

- Hệ PV phải được bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp, nối đất, chống sét vàbảo vệ tách biệt

b Các bộ biến đổi trong hệ PV làm việc với lưới:

Bộ biến đổi DC/AC trong hệ này, đóng vai trò giao tiếp giữa nguồn một chiều

do dàn pin mặt trời tạo nên và lưới điện xoay chiều Chúng phải tạo nên dòng điệnxoay chiều có dạng hình sin và tần số phù hợp, đảm bảo dàn pin hoạt động với côngsuất cực đại Để hệ PV làm việc được với lưới, thì yêu cầu là cần phải có sự đồng

bộ với lưới về điện áp, tần số, góc pha

Bộ biến đổi DC/AC của hệ PV làm việc với lưới, được phân loại thành bộbiến đổi nguồn áp (VSI) và bộ biến đổi nguồn dòng (CSI) Có thể chuyển đổi hai

loại này bằng cách bổ sung một số linh kiện Nếu bộ biến đổi nguồn áp, có một tụđiện mắc song song với đầu vào, thì bộ biến đổi nguồn dòng sẽ có một cuộn cảmmắc nối tiếp với đầu vào một chiều Trong bộ biến đổi nguồn dòng CSI, nguồn mộtchiều xuất hiện như dòng một chiều của bộ biến đổi Pin mặt trời có thể được coinhư một nguồn dòng Hầu hết các bộ biến đổi trong hệ PV là nguồn áp, mặc dù pinmặt trời được coi như một nguồn dòng Các bộ biến đổi nguồn dòng thường đượcdùng cho các động cơ lớn Bộ biến đổi nguồn áp được dùng phổ biến và kết hợp với

bộ biến đổi nguồn áp PWM để tạo thành bộ biến đổi dạng Sin

Hình 1.9 mô tả bộ biến đổi nguồn áp xoay chiều có mạch hình cầu một phaVSI có điều khiển áp và góc pha Việc chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đượckết hợp với việc điều khiển góc pha giữa điện áp biến đổi và điện áp lưới Điện ápbiến đổi thường chậm pha hơn điện áp lưới

Hình 1.9: Bộ biến đổi VSI nguồn áp

Hình 1.10: Bộ biến đổi nguồn dòng CSI

Trong hình 1.10, bộ biến đổi nguồn áp hoạt động như một bộ biến đổi điềukhiển dòng CSI Loại này sử dụng điều biến PWM, để điều khiển dòng qua cácphần tử tích cực, linh động trong mạch để cấp cho lưới

Có nhiều loại bộ biến đổi được sử dụng cho hệ PV làm việc với lưới, baogồm những loại sau:

Bộ biến đổi có đảo dòng (line – commutated inverter): mạch gồm những

thyristo được mắc với lưới ít trở kháng và cách ly hệ với lưới về điện

Bộ biến đổi có tự đảo (Self – commutated inverter): gồm các khoá đóng cắt

với phương pháp điều khiển PWM

Bộ biến đổi sử dụng máy biến áp tần số cao: dùng máy biến áp tần số cao

~20kHz

 Nhận xét

Hệ PV làm việc với lưới có cấu trúc đơn giản, có những ưu điểm và lợi ích

về kinh tế, đang được khuyến khích áp dụng rộng rãi nhưng hệ thống này có nhiềuyêu cầu phức tạp vì: phải lệ thuộc vào trạng thái và đặc điểm của lưới điện và phảiđồng bộ với lưới về điện áp, pha và tần số

Luận văn tốt nghiệp này sẽ đi sâu vào tìm hiểu hệ PV làm việc với lưới Cácthành phần trong hệ PV làm việc với lưới sẽ lần lượt được trình bày chi tiết trongnhững phần tiếp sau đây

1.3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC, DC/AC VÀ BỘ LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

1.3.1 Bộ biến đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC, được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều, với mụcđích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thểđiều khiển được Nhìn chung, bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơbản sau: một khoá điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, và một diode dẫndòng

Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại: có cách ly và loại khôngcách ly Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùngloại có cách ly về điện vì lý do an toàn Loại không cách ly không sử dụng máy biến

áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Cácloại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:

- Bộ giảm áp (buck)

- Bộ tăng áp (boost)

- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)

Việc chọn lựa bộ biến đổi DC/DC nào, cho hệ PV nào còn tuỳ thuộc vào yêucầu nạp cho acquy và cấp cho tải, đối với điện áp ra của hệ PV đó

Bộ giảm áp buck, có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu, mỗikhi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiệnđược khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp

Bộ tăng áp boost, có thể xác định điểm làm việc tối ưu, ngay cả với cường độánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp chotải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC

Bộ buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp ra

1.3.1.1Phân loại bộ biến đổi DC/DC

a Mạch Buck:

Khóa K trong mạch, là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT MạchBuck có chức năng, giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp acquy Khóatransistor được đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D củakhóa được xác định theo công thức sau:

(1-11)

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck

Trong thời gian đóng, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạpvào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian mở, khóa Kkhông cho dòng chạy qua, khi đó trong cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường và

tụ điện được tích lũy trước đó sẽ phóng qua tải nhờ diode khép kín mạch Như vậy,cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duytrì mạch khi khóa K mở Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi vàgiảm dần, chiều của dòng điện sẽ thay đổi theo như đồ thị Quá trình đóng cắt liêntục tạo ra một điện áp trung bình theo luật băm xung PWM, dòng điện ra sẽ có dạngxung tam giác đảm bảo cho dòng điện liên tục qua tải Tần số đóng cắt khá cao, sẽđảm bảo triệt tiêu nhiễu công suất cho mạch Van công suất thường sử dụng các vannhư transistor hiệu ứng trường, mosfet hay IGBT.

Hình 1.12: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck

Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng trong chu kỳ đóng cắt của khóa:Năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng năng lượng thu từ nguồn trongthời gian khóa đóng và năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian K mở, bằngnăng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện (trong thời gian K mở)

Hay cũng có thể phân tích dựa trên phương pháp sau:

Ở điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời giankhóa đóng mở được duy trì

Do: (1-12) Nên khi K đóng (ton):

(1-13) Khi K mở (toff):

(1-14) Nếu cuộn kháng đủ lớn thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trịcực đại của dòng điện được tính như sau:

(1-15)Trong đó: Io là dòng tải = Vout/Rtải

Từ các công thức trên suy ra:

Công thức (1-16) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được, bằng cách điềukhiển hệ số làm việc D, thông qua một mạch vòng hồi tiếp, lấy giá trị dòng điện nạp

ắc quy làm chuẩn Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách thực hiện điều biến,

để điều chỉnh thời gian mở ton Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộđiều biến xung PWM

Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin mặt trời cao hơn điện áp acquy.Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóađiện tử Bộ Buck có thể làm việc làm việc tại điểm MPP (điểm làm việc tối ưu),trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ Nhưng bộ này sẽ không làm việcchính xác, khi điểm MPP xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp acquy, dưới điều kiệnnhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống thấp.Vì vậy, để nâng cao hiệu quả làm việc,

có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp

b Mạch Boost:

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng

L Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Điện áp đầu ra phụ thuộc vào điều biến độrộng xung và giá trị của cuộn cảm L Khi khóa K đóng thì dòng điện trong cuộncảm tăng lên rất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua khóa K và xuống đất, dòngđiện không qua diode và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải.Ở thời điểm này thì tải

được cung cấp bởi tụ điện, chiều của dòng điện như đồ thị (hình 1.14).

Khi khóa K mở, thì lúc này cuối mạch sẽ xuất hiện một điện áp, bằng với điện

áp đầu vào Điện áp đầu vào, cùng với điện áp ở cuộn cảm qua diode cấp cho tải vàđồng thời nạp cho tụ điện, khi đó điện áp đầu ra, sẽ lớn hơn điện áp đầu vào, dòngqua tải được cấp bởi điện áp đầu vào, chiều dòng điện như đồ thị (hình 1.14)

Điện áp ra tải, còn phụ thuộc vào giá trị của cuộn cảm tích lũy năng lượng và

hệ số đóng cắt của khóa K Tần số đóng cắt của khóa phải cao để triệt tiêu nhiễucông suất và tăng điện áp ở đầu ra, dòng đóng cắt nhỏ hơn dòng đầu ra Van côngsuất thường là transistor tốc độ cao hay transistor trường, Mosfet, IGBT… Diode làdiode xung công suất

Khi K đóng, cho dòng qua (ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi K mở (toff)cuộn kháng giải phóng năng lượng cho dòng qua diode tới tải

(1-17)Mạch này tăng điện áp võng, khi phóng của acquy lên để đáp ứng điện áp ra.Khi khóa K đóng, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều.Khóa K mở, dòng điệnchạy qua tải thông qua diode Với hệ số làm việc của khóa K là D,điện áp ra được tính theo:

(1-18)Với phương pháp này, ta cũng có thể điều chỉnh ton trong chế độ dẫn liên tục,

để điều chỉnh điện áp vào Vin ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vout

Hình 1.14: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost

c Mạch Buck & Boost:

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck & Boost

Từ công thức (1-18): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì vậymạch Boost chỉ có thể tăng áp, trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ cóthể giảm điện áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck –Boost, vừa có thể tăng và giảm điện áp ra

Khi khóa K đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm làm dòng điện trong điện cảmtăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòngđiện qua nó, sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữathời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớnhơn giá trị điện áp vào.Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược vớidấu của điện áp vào Do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian.

Ta có công thức:

(1-19) Công thức (1-19) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùythuộc vào hệ số làm việc D

1.3.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC

Các cách thường dùng, để điều khiển bộ DC/DC là:

Phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:

- Bỏ qua hiệu suất của bức xạ và nhiệt độ của dãy pin mặt trời

- Không được áp dụng rộng rãi cho hệ thống lưu giữ điện năng

Vì vậy, phương pháp điều khiển này chỉ thích hợp dưới điều kiện độ bức xạ

ổn định, chẳng hạn như hệ thống vệ tinh vì nó không thể tự động xác định điểm làmviệc tối ưu khi điều kiện ánh sáng và nhiệt độ thay đổi

Hình 1.19: Mạch vòng điều khiển điện áp

b Phương pháp điều khiển phản hồi công suất:

Có thể điều khiển công suất tối ưu bằng cách cho đạo hàm dP/dV = 0 trongđiều khiển phản hồi công suất Nguyên tắc hoạt động của phương pháp này là đo vàkhuếch đại công suất của tải

Ưu điểm của phương pháp này là không cần quan tâm đến đặc tính làm việccủa pin mặt trời Tuy nhiên, phương pháp này khuếch đại công suất của tải chứkhông phải là công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời

Mặc dù một bộ biến đổi có kết hợp phương pháp MPPT (phương pháp xácđịnh điểm làm việc có công suất lớn nhất) có thể sẽ cho hiệu quả cao trên dải rộngcác điểm làm việc, nhưng đối với một bộ biến đổi không tốt, toàn bộ công suất cóthể sẽ không đến được tải do sự tổn thất năng lượng Vì vậy, phương pháp này đòihỏi một bộ biến đổi thật hoàn hảo

c Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi

-Hình 1.20: Mạch vòng dòng điện phản hồi

Ri trong mạch điều khiển là bộ PI

Phương pháp này chỉ áp dụng với những thuật toán MPPT cho đại lượngđiều khiển là dòng điện

1.3.2 Bộ biến đổi DC-AC

Hệ PV thường sử dụng các bộ biến đổi loại nguồn áp 1 pha

Hình 1.21: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu (bên trái)

và hình cầu (bên phải)

Khóa điện tử S1 và S2 được dùng để, điều khiển chu kỳ đóng cắt, theo một luậtnhất định để tạo ra điện áp xoay chiều Điện áp rơi trên mỗi tụ là Vdc/2.Lf và Cf cónhiệm vụ lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao tại đầu ra của bộ biến đổi và tạo

-điện áp xoay chiều có tần số mong muốn Máy biến áp có nhiệm vụ tạo ra -điện ápxoay chiều phù hợp với yêu cầu của tải, đồng thời đảm nhiệm vai trò cách ly giữanguồn 1 chiều với tải.

Các bộ biến đổi này có thể ngăn chặn thành phần dòng điện sóng hài và điềuchỉnh hệ số công suất, để nâng cao chất lượng điện xoay chiều cấp cho tải

Ưu điểm: bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu có số khóa điện tử ít hơn 1nửa so với bộ biến đổi DC/AC 1 pha hình cầu, nên có cấu trúc đơn giản và rẻ hơn

Cấu trúc bộ biến đổi DC/AC dùng biến áp thông thường có nhược điểm: do

sử dụng biến áp thông thường nên kích thước thường lớn, tổn hao trên biến ápkhá lớn và hiện tại giá thành biến áp cũng không nhỏ

Hình 1.22: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge

Hình 1.23: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-brid

Nhận xét:

- Mỗi bộ biến đổi DC/AC đáp ứng một yêu cầu, để chọn được loại nào chúng

ta cần căn cứ vào yêu cầu thực tế là gì, có cần cách ly hay không cách ly, cầntăng hay giảm điện áp ra, hay vừa tăng vừa giảm, yêu cầu về điều khiển có khắc khe không, để chọn bộ biến đổi hợp lý

- Để chọn được bộ biến đổi DC/AC như thế nào, chúng ta cần phải căn cứ vào yêu cầu của chất lượng điện năng cấp cho tải bên ngoài, đó là loại tải thuần trở, thuần dung , thuần cảm hay là loại hỗn hợp, điều này rất quan trọng vì nógóp phần quyết định vốn đầu tư cho cả hệ thống và độ an toàn cho các thiết

bị sử dụng nguồn điện đó

1.3.3 Bộ lưu trữ năng lượng

Hệ PV cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong thờigian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ nănglượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử dụng acquy để lưu trữ năng lượng.Acquy là thiết bị điện hoá, tồn trữ dưới dạng hoá năng và khi có phụ tải sử dụng đấunối vào, hoá năng được giải phóng dưới dạng điện năng Bộ acquy giúp lưu giữ điệnnăng chưa sử dụng và sẽ cung cấp cho bộ biến đổi DC/AC cấp cho tải xoay chiềubên ngoài trong trường hợp khí hậu xấu, trời nhiều mây, mưa không cung cấp đủánh sáng Bộ acquy cũng đồng thời trực tiếp cung cấp điện một chiều cho các thiết

bị sử dụng điện một chiều

Hình 1.24: Hình ảnh tổng thể của acquy.

Quá trình làm việc của acquy có nhiều phản ứng hoá học xảy ra Trong quátrình nạp, sunfat chì PbSO4 ở cực dương biến đổi thành chì điôxit PbO2 Còn khiacquy phóng hết điện, các chất tích cực trên điện cực dương PbO2 và trên điện cực

âm Pb biến thành PbSO4, còn axit sunfuric H2SO4 biến hết thành nước

b Acquy kiềm:

Ví dụ loại nikel – cadmium, sử dụng dung dịch là KOH, điện cực dương làhyđroxit nikel và cực âm là cadmium Cd Khi phóng điện, hyđroxit nikel chuyểnthành Ni(OH)2 và cadmium thành Cd(OH)2, mật độ chất điện ly không thay đổi Vìvậy, điểm hoá rắn rất thấp Tuy nhiên, loại acquy này có giá thành cao hơn loạiacquy chì - axit

Điện áp định mức của một ngăn acquy kiềm là 1,2 V Điện áp trên các ngănacquy kiềm được giữ ổn định cho đến khi ngăn phóng điện gần hết, khi đó điện áptrên ngăn sẽ giảm đột ngột Acquy nikel – cadmium có thể chấp nhận dòng nạp lớn,

có giá trị bằng dung lượng của acquy và có thể được nạp tiếp tục lâu dài với dòngnạp có giá trị đến 1/15 giá trị dung lượng của acquy

1.3.3.2 Các thông số chính của acquy

Sức điện động của acquy kiềm và acquy axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm

E0 0,85 + ( V ) (1-30)

Trong đó:

E0 - sức điện động tĩnh của acquy ( V )

- Nồng độ dung dịch điện phân ở 15C ( g/cm3 )

+ Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của acquy được tính theo công thức:

Trong đó :

Ep - Sức điện động của acquy khi phóng điện ( V )

Ip - Dòng điện phóng ( A )

Up - Điện áp đo trên các cực của acquy khi phóng điện (V)

Raq- Điện trở trong của acquy khi phóng điện ( )

+ Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của acquy được tính theo công thức:

Trong đó :

En - Sức điện động của acquy khi nạp điện ( V )

In - Dòng điện nạp ( A )

Un - Điện áp đo trên các cực của acquy khi nạp điện ( V )

Raq - Điện trở trong của acquy khi nạp điện ( )

- Dung lượng phóng của acquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng điện của acquy cho phụ tải, và được tính theo công thức :

Trong đó :

Cp - Dung lượng phóng của acquy trong quá trình phóng điện( Ah )

Ip - Dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp ( A )

tp - Thời gian phóng điện ( h )

- Dung lượng nạp của acquy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của acquy và được tính theo công thức :

Trong đó :

Cn - Dung lượng nạp của acquy trong quá trình nạp điện( Ah )

In - Dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp điện tn( A )

tn - Thời gian nạp điện ( h )

- Nội trở R0, đơn vị là Ôm ( )

Nội trở là điện trở trong của acquy Nội trở của acquy phụ thuộc vào tỷ trọng, bản cực lớn hay nhỏ, tính chất tấm cách điện, khoảng cách giữa hai bản cực…v.v

Dung lượng càng lớn, nội trở càng nhỏ.Nhiệt độ, tỷ trọng càng tăng nội trở càng nhỏ Vì vậy, khi nạp điện nội trở giảm theo tỷ trọng và nhiệt độ tăng Khi phóng điện nội trở tăng vì tỷ trọng và nhiệt độ giảm

Mỗi ngăn acquy kiềm có R0=0,05- 1

Mỗi ngăn acquy axít có R0=0,001 - 0,0015 khi nạp đầy và R0=0,02  khi phóng điện đến điện áp ngừng phóng điện của acquy

 Tổn hao một phần điện năng vì rò điện và phóng điện nội bộ

 Khi nạp điện, acquy có nội trở nên tiêu hao hết một phần năng lượng

- Hiệu suất của acquy là: tỷ số giữa toàn bộ điện năng phóng và toàn bộ điện năng nạp Có 2 loại hiệu suất:

+ Hiệu suất dung lượng (hiệu suất Ampe-giờ)

(1-35) Acquy axit có  =75-80%

Acquy kiềm có  =50-60%

+ Hiệu suất điện năng (hiệu suất oát)

(1-36) Trong đó :

1.3.3.3 Các chế độ làm việc của bộ nạp acquy

Gồm 3 chế độ sau đây: nạp với dòng không đổi, nạp với áp không đổi và nạpnổi Lựa chọn chế độ nạp nào cho acquy còn tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng củaacquy (hoạt động thường xuyên theo chu kỳ hay chỉ hoạt động theo nhu cầu), tínhkinh tế, thời gian nạp lại và giữ gìn tuổi thọ của acquy Mục đích của các phươngpháp nạp acquy chủ yếu là điều khiển dòng điện nạp ở cuối quá trình nạp acquy

Hình 1.29: Đặc tính các chế độ làm việc của acquy.

a Nạp với dòng không đổi:

Đây là chế độ nạp bình thường của acquy, sẽ đưa dung lượng của acquy lên 80đến 90% dung lượng đầy Với acquy chì - axit, dòng nạp thường lấy là C/10 Chế

độ này được duy trì nếu điện áp acquy ở trong khoảng 1,8V<Ub<2,1V với Ub là điện

áp trên 1 bản cực của acquy (khoảng 1 và khoảng 7 trên hình vẽ 1.29 )

Chế độ nạp với dòng không đổi cũng được áp dụng trong chế độ nạp cân bằng,khi điện áp trên ngăn U nhỏ hơn 1,8÷1,9V Chế độ nạp cân bằng thực hiện với

dòng lớn hơn, thường là C/5 Sau chế độ nạp cân bằng thường chuyển sang chế độnạp bình thường với dòng C/10 (khoảng số 6 trên hình vẽ 1.29) Khi điện áp Ub đạtđến 2,1V thì chuyển sang chế độ nạp với điện áp không đổi.

Chế độ nạp với dòng không đổi phù hợp với những trường hợp, dung lượngphóng của chu kỳ phóng trước đó có thể biết được Thời gian nạp và dung lượngnạp có thể dễ dàng tính toán được Tuy nhiên, để duy trì được dòng điện nạp chínhxác và ổn định thì cần phải có một mạch nạp có giá thành cao Việc điều khiển điện

áp nạp hay giới hạn thời gian nạp là cần thiết để tránh trường hợp nạp quá

b Nạp với áp không đổi:

Khi điện áp trên 1 ngăn của acquy Ub đạt đến giá trị định mức 2,1V thì chuyểnsang chế độ nạp với áp không đổi, là quá trình nạp hoàn thiện nhằm đưa dung lượngcủa acquy đến 100% Điện áp nạp giữ ổn định ở mức cao, từ 2,4÷ 2,45V Trong quátrình này, dòng nạp sẽ giảm về đến 0 (Khoảng 2 trên hình vẽ 1.29) Khi dòng nạprất gần 0, thì chuyển sang chế độ nạp nổi

Tuỳ thuộc vào từng loại acquy mà có thể áp dụng chế độ nạp này một cáchliên tục hay gián đoạn Chế độ nạp nổi liên tục có thể được áp dụng đối với trườnghợp cần nguồn dự trữ, để hoạt động khi nguồn xoay chiều có thể bị gián đoạn Chế

độ nạp theo chu kỳ không liên tục có thể áp dụng đối với các thiết bị di động, đòihỏi chế độ nạp không liên tục thích hợp

Cả hai phương pháp nạp trên, đều tạo ra điện áp nạp ổn định và giới hạn đượcdòng nạp ban đầu của acquy Đặc điểm này là cần thiết để xác định giá trị điện ápnạp dựa trên các đặc tính nạp và nhiệt độ Việc xác định điện áp nạp không chínhxác có thể gây ra sự cố nạp quá hoặc nạp thiếu Hai phương pháp này đều có thể sửdụng cho cả thiết bị dự phòng và thiết bị làm việc theo chu kỳ

c Nạp nổi:

Đây thực chất là không nạp gì, mà giữ điện áp Ub ổn định ở mức 2,25 ÷ 2,3 V,thấp hơn so với chế độ nạp với điện áp không đổi Trong chế độ này, acquy đã nạp

no và không có tải, dòng vào acquy bằng 0 Điện áp của bộ nguồn chỉ có tác dụng

bù lại phần nào dòng rò của acquy, nếu chế độ không tải này tồn tại lâu dài

Khi acquy mang tải (ở khoảng 4 trên hình vẽ 1.29), nếu cuối giai đoạn nàyacquy phóng gần hết, chỉ còn 5 đến 10% dung lượng, thể hiện ở điện áp trên ngănUb

xuống dưới mức 1,8 ÷1,95 V, phải ngắt tải ra khỏi acquy và sau đó thực hiện nạpcân bằng với dòng lớn bằng C/5

Đối với acquy kiềm, quá trình xảy ra cũng tương tự nhưng với các mốc điện áp

và dòng điện tương ứng khác nhau:

- Nạp với dòng không đổi, chế độ bình thường: Ib = C/5, khi 0,8V < Ub< 1,2V

- Nạp với áp không đổi, chế độ hoàn thiện: Ub = 1,5 ÷ 1,6V

- Nạp nổi, không tải: Ub = 1,4 ÷ 1,5V

- Nạp cân bằng, dòng không đổi: Ib = C/2÷C/1,5

d Các sự cố cần bảo vệ trong qua trình nạp:

- Bảo vệ nạp quá:

Nếu điện áp nạp của acquy quá cao sẽ làm cho dòng vào acquy tăng mạnh, saukhi acquy được nạp đầy Sự cố này làm nước bị phân ly và làm giảm tuổi thọ củapin Nếu acquy thường xuyên trong tình trạng bị nạp quá đầy, nhiệt độ trong acquy

sẽ tăng lên Đến một mức độ nào đó, dòng điện vào acquy sẽ lớn hơn và làm nhiệt

độ trong acquy tiếp tục tăng lên, có thể phá hỏng acquy chỉ sau vài giờ đồng hồ

- Bảo vệ nạp thiếu:

Hiện tượng nạp thiếu, thường xảy ra với acquy làm việc với hệ thống pin mặttrời, do thời gian ánh sáng yếu thường diễn ra trong thời gian dài Nếu điện áp nạpcủa acquy ở mức quá thấp, dòng điện vào acquy không đạt giá trị cần thiết trước khiacquy được nạp đầy, sẽ làm dư lại một số sunfat chì ở các cực acquy, làm giảmdung lượng của acquy

- Bảo vệ tránh hiện tượng Sunfat hoá:

Do các tinh thể chì sunfat được biến đổi thành chì trong thời gian acquy nạp,nếu sau khi phóng hết, acquy lâu ngày không được nạp lại, một số các tinh thể chì

sẽ bám lại trên các tấm bản cực Những tinh thể này, như những lớp cách ly gây trởngại cho acquy khi nạp Đây gọi là hiện tượng sunfat hoá Hiện tượng này làm dunglượng của acquy giảm và có thể làm hỏng acquy Để tránh hiện tượng này, có thể áp

dụng chế độ nạp cân bằng để có thể làm tươi lại acquy, tạo sự đồng đều của dungdịch trong các ngăn của acquy.

e Yêu cầu lựa chọn acquy cho hệ PV dựa vào tiêu chí sau:

 Phóng sâu (phóng sâu khoảng 70 đến 80%)

 Yêu cầu bảo trì

 Hiệu quả lưu giữ năng lượng

 Giá thành thấp

Các nhà sản xuất acquy thường chú trọng vào số chu kỳ phóng nạp hoàn chỉnhcũng như khả năng phóng sâu của acquy Điều này có thể giúp tính toán được tuổithọ của acquy trong các hệ thống thông thường như: nguồn cấp năng lượng liên tụchay các phương tiện sử dụng điện, nhưng đối với những hệ năng lượng mới, vẫn cóthể có những tính toán sai sót về tuổi thọ của acquy

Trong hệ PV, hai vấn đề thường quyết định đến tuổi thọ của acquy là: nạpchưa đầy và nạp thấp trong thời gian dài cho acquy Sẽ tác động không tốt đến thờigian sử dụng, cũng như độ tin cậy của hệ thống

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN PHẦN CỨNG MẠCH

ĐIỀU KHIỂN

Ở chương này, sẽ trình bày hai nội dung chính:

- Sơ đồ tổng thể mạch điều khiển gồm: mạch đo điện áp, mạch đo dòng điện, mạch DC/DC, mạch DC/AC, module mở rộng EM231, TD200…

- Giới thiệu PLC S7-200 là: thiết bị điều khiển logic khả lập trình thực hiệnchức năng điều khiển

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Yêu cầu điều khiển đặt ra là: nạp theo chế độ ổn dòng và ổn áp, nên ta sẽ lựa chọn sơ đồ có phản hồi dòng, áp từ acquy Từ tín hiệu phản hồi đó, ta thiết lập được, sơ đồ khối điều khiển toàn hệ thống như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống.

TD200 PLC S7-200

Đo

dòng

PIN

Đo điện

áp PIN

Đo điện

áp Acquy

Đo dòng điện Acquy

Tải Acquy

Bộ nghịch lưu DC/AC Rơle 2

Bộ biến đổi DC/DC

Tấm PIN mặt

trời

Rơle1|Rơle2|Rơle3

Hệ trên gồm những khối sau:

- Mạch đo dòng, áp trên ac quy: dùng để đo dòng điện, điện áp trên acquy làmtín hiệu phản hồi về PLC thông qua module mở rộng EM231, để PLC thực hiện quátrình sạc acquy theo chương trình đặt sẵn

- Mạch đo dòng, áp trên Pin mặt trời: dùng để đo dòng điện, điện áp trên Pinmặt trời đưa vào PLC thông qua module mở rộng EM231, làm tín hiệu điều khiểnquá trình sạc acquy và đóng nguồn cho tải trực tiếp từ Pin mặt trời

- Các Rơle đóng cắt mạch:

 Rơle 1 đóng /cắt mạch sạc acquy

 Rơle 2 đóng /cắt mạch cấp nguồn cho tải trực tiếp từ Pin mặt trời

 Rơle 3 đóng /cắt mạch cấp nguồn cho tải từ acquy

- Module mở rộng EM231: là module mở rộng của PLC S7-200, module này

có 4 ngõ vào tương tự Tín hiệu ngõ vào có điện thế (0 -10V, 0 – 5V, ±5V, ± 2.5V)hay dòng điện (0 -20mA) Giá trị analog đầu vào được chuyển đổi tương ứng thànhmột giá trị nhị phân và lưu trong vùng nhớ AIWx của PLC, kích thước là 1 Word

- TD200 là một thiết bị hiển thị text (Text display), giao tiếp với người vậnhành Hiển thị cho người dùng thấy giá trị dòng điện và điện áp của acquy và pinmặt trời khi có yêu cầu, đồng thời hiển thị chế độ đang làm việc của hệ thống

- PLC S7-200: đóng vai trò là trung tâm điều khiển, chịu trách nhiệm điều khiển toàn bộ hệ thống Với những ưu điểm:

+ Dùng PLC thì mạch điều khiển sẽ gọn nhẹ, tiết kiệm được số linh kiện điệntử

+ Sử dụng PLC với các tính năng: xử lý tín hiệu analog thông qua module mởrộng EM231, cho ta phương pháp điều khiển nhanh, nhạy, và chính xác

+ PLC còn kết hợp chức năng hiển thị lên TD200, cho ta biết dòng điện, điện áptrên acquy giúp ta theo dõi được quá trình nạp

+ Tuy nhiên, dùng PLC có giá thành hơi đắt so với các linh kiện, vi mạch khác

sẽ làm tăng giá thành của hệ thống

Sau đây, sẽ trình bày cụ thể nguyên lý và chức năng của từng mạch, trong mạch điều khiển.

2.1.1 Mạch đo điện áp của pin mặt trời và acquy

Sơ đồ mạch được thiết kế như sau:

+

R 1 10K

R 5 10K

R 6

10K

U _R 7

U _A C Q U Y _O U T

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện áp của pin mặt trời và acquy.

Mạch có chức năng: đo giá trị điện áp ra của pin mặt trời, đưa vào vùng nhớAIW0 của PLC thông qua module mở rộng EM231 Từ giá trị này, PLC sẽ tínhtoán, điều chỉnh tần số đóng cắt của MOSFET Để điều khiển giá trị điện áp nạp cho

acquy Đồng thời, khi điện áp ra của pin giảm bằng 0V (tương ứng trường hợp, khitrời tối), thì mạch điều khiển sẽ ngắt mạch nạp ra

Thực chất, mạch đo điện áp của acquy, cũng tương tụ như mạch đo điện áp từPin Chỉ thêm một chức năng nữa là: khi ac quy đang sạc, điện áp phản hồi từ acquyđưa vào vùng nhớ AIW2 của PLC thông qua module mở rộng EM231 sẽ luôn thayđổi Từ 10,8V lúc ac quy phóng hết điện và bắt đầu quá trình sạc, cho đến khi điện

áp đạt 12,6V khi đã nạp được hơn 80% dung lượng Cũng chính là lúc, bộ điềukhiển chuyển từ giai đoạn nạp ổn dòng sang nạp ổn áp

Hình 2.3: Sơ đồ chân Op-amp LM358.

Trong mạch này, ta sử dụng op-amp LM 358, để đệm điện áp trước khi đưavào PLC thông qua module mở rộng EM231

- Tính toán mạch đo điện áp Pin mặt trời:

Ta sử dụng cầu chia điện áp bằng biến trở

Ta có : U_R7 =

Đối với mạch khuếch đại không đảo, ta có :

UPIN_OUT =

Chọn R1 = R2 =10kΩ Khi đó UPIN_OUT = 2.U_R7

Suy ra UPIN_OUT = = KPIN.UPIN với KPIN là hệ số khuếch đại

Dải điện áp ra UPIN_OUT mà ta mong muốn để đưa vào module EM231 là 0 – 5V

Điện áp ra định mức của PIN mặt trời là 0 – 25V

Do đó chọn hệ số khuếch đại KPIN = 0.2

Chọn giá trị của biến trở là 10kΩ Khi đó ta có R3 = 9kΩ và R4 = 1kΩ

Vậy, mạch đo áp PIN mặt trời có hệ số khuếch đại: KPIN = = 0,2

- Tính toán mạch đo điện áp acquy:

Tương tự như cách tính trên mạch đo điện áp PIN ta cũng có:

UACQUY_OUT = = KACQUY.UACQUY

Dải điện áp ra UACQUY_OUT mà ta mong muốn để đưa vào module M231 là 0 – 5VĐiện áp ra định mức của acquy là 0 – 13.8V

Do vậy ta cũng chọn hệ số khuếch đại là KACQUY = 0.2V

Khi đó UACQUY_OUT sẽ nằm trong khoảng 0 – 2.76V hoàn toàn thỏa mãn

Với KACQUY =0.2V, ta có = 9 Chọn biến trở có giá trị điện trở là 10kΩ, khi đó

R8 = 9kΩ và R7 = 1kΩ