0

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CẤP CHO TRẠM VIỄN THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

7 18 0
  • NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ NGUỒN  CẤP CHO TRẠM VIỄN THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 14/01/2021, 14:31

Ý tưởng mạch hai tầng gồm bộ Boost và một bộ biến đổi cộng hưởng LLC là cách đơn giản để tiếp cận vấn đề tạo nguồn ổn định trong trạm viễn thông từ hệ thống pin mặt t[r] (1)NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CẤP CHO TRẠM VIỄN THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Đinh Quý Long, Nguyễn Thế Dũng, Phạm Xuân Kiên* Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Trong năm gần đây, sở hạ tầng cho mạng viễn thông Việt Nam có bước phát triển vượt bậc Trong trạm phát sóng BTS đóng vai trị quan trọng hệ thống viễn thông, phục vụ thông tin liên lạc Tuy nhiên, khu vực vùng núi, hải đảo việc cấp nguồn cho hệ thống BTS gặp nhiều khó khăn, trở ngại Để khắc phục vấn đề này, nhóm tác giả nghiên cứu, thiết kế hệ thống cấp nguồn pin lượng mặt trời cho trạm BTS khu vực với công suất giả định 3KW Phương pháp nghiên cứu đề tài dựa đặc điểm, yêu cầu công nghệ trạm BTS để tiến hành lựa chọn, mô hình hóa thành phần cấu trúc biến đổi Kết mô với thông số kỹ thuật tính tốn, xác định cho thấy hệ thống đạt hiệu ổn định hứa hẹn giải pháp tốt cho sở hạ tầng viễn thông Việt Nam tương lai Từ khóa: Năng lượng mặt trời; pin mặt trời; hệ thống cung cấp điện cho trạm BTS; biến đổi Boost; thuật tốn bám điểm cơng suất tối đa(MPPT); biến đổi cộng hưởng LLC. Ngày nhận bài: 11/3/2020; Ngày hoàn thiện: 25/5/2020; Ngày đăng: 29/5/2020 RESEARCHING AND DESIGNING POWER SUPPLIES FOR TELECOMMUNICATIONS STATIONS USING SOLAR ENERGY Dinh Quy Long , Nguyen The Dung, Pham Xuan Kien* TNU - University of Information and Communication Technology ABSTRACT In recent years, the infrastructure for telecommunication networks in Vietnam has been making great progress In which, BTS broadcast stations play an important role in the telecommunication system, serving communication However, in mountainous areas and islands, the supply of power to these BTS systems has many difficulties and obstacles To overcome this problem, the authors have researched and designed a solar battery power supply system for BTSs in the above areas with an assumed capacity of 3KW The research methodology is based on the characteristics and technical requirements of the BTS to select and model the structural components of the transducers Simulation results with calculated and determined specifications show that the system has achieved stable performance and promises to be a good solution for telecommunications infrastructure in Vietnam in the future Key words: Solar energy; Solar panel; Power supply system for BTS; Boost converter; Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm; LLC resonant converter. Received: 11/3/2020; Revised: 25/5/2020; Published: 29/5/2020 (2)1 Giới thiệu Hiện nay, với phát triển khoa học - kỹ thuật, nhà khoa học nghiên cứu nhiều giải pháp sử dụng lượng tái tạo ứng dụng rộng rãi giới Trong phổ biến lượng gió, lượng mặt trời Với đặc thù vị trí địa lý nằm khu vực nhiệt đới gió mùa nên giải pháp sử dụng công nghệ lượng mặt trời Việt Nam khả thi Tuy nhiên, để tận dụng nguồn lượng này, cụ thể để phục vụ trạm viễn thông, cần khắc phục đặc điểm cố hữu lượng tái tạo khơng ổn định Do đó, việc nghiên cứu thiết kế nguồn cấp cho trạm viễn thông hoạt động điện áp 48VDC đảm bảo công suất định mức 3KW nghiên cứu cần thiết Khi sử dụng lượng mặt trời làm nguồn cho trạm viễn thông yêu cầu điện áp đầu hệ thống lượng mặt trời phải ổn định 48V độ nhấp nhô điện áp đầu nhỏ gặp biến động điện áp điện áp đầu pin mặt trời ln thay đổi theo cường độ sáng Vì vậy, cấu trúc biến đổi nhóm tác giả trình bày báo gồm hai tầng biến đổi Boost thuật toán bám điểm công suất tối đa (MPPT) [1], [2] đảm bảo cho pin mặt trời hoạt động điểm công suất cực đại [3] Nhóm tác giả trình bày chi tiết hệ thống lượng mặt trời sử dụng biến đổi công suất nhằm ổn định điện áp đầu sử dụng trạm viễn thông 2 Phương pháp thiết kế Hình 1.Cấu trúc nguồn DC/DC sử dụng cho trạm viễn thông Trong cấu trúc nguồn mơ tả hình 1, sau hệ thống pin lượng mặt trời, biến đổi DC/DC [4], [5] thông thường là biến đổi Boost ược sử dụng để đưa điện áp cỡ 350V – 400V Điện áp sau đầu biến đổi Boost cần hạ xuống 48V để phù hợp với cấp điện áp bus DC Điện áp đầu biến đổi boost có độ đập mạch biến thiên dải rộng lên sử dụng biến đổi hạ áp thơng thường tầng phía sau Vì sau biến đổi Boost người ta thường sử dụng DC – AC – DC hoạt động tần số cao Trong thiết kế biến đổi DC – AC – DC lựa chọn biến đổi cộng hưởng LLC [6], [7] nhằm biến đổi điện áp 400V xuống 48V cung cấp cho bus DC hệ thống nguồn trạm viễn thơng Bởi biến đổi LLC có dải đầu vào điện áp rộng chất lượng điện áp đầu tốt Rt + _ Vo C L D _ + v L(t) iL(t) iC(t) + _ Vg Q1 Hình Bộ biến đổi tăng áp Boost Dạng dòng điện iL(t) điện áp vo(t) mơ tả hình iL(t) vo(t) DTS TS t t 0 IL Vo ΔiL Δvo I1 I2 V1 V2 Hình Dạng dịng điện qua cuộn cảm điện áp trên tải Điện áp nguồn biểu diễn: ( 1) L g ON ON L I I L I V T T −  = = (1) Suy : g ON L V T I 2L  = (2) Dòng điện qua tụ điện : 1 2 o o C ON ON t V V V V i C C T T R −  − − (3)Suy ra: 2 o O N t o V T C R V =  (4) Trong khoảng thời gian Toff: van Q1 khóa diode D dẫn Rt + _ Vo C L _ + v L(t) iL(t) iC(t) +_ Vg Hình 4.Mạch tương đương van Q1 khóa diode D dẫn Phương trình cân điện áp: 1 g o OFF I I V V L T − − = hay o g 2 L OFF I V V L T  − = (5) Dòng điện qua tụ: C 2 o L o OFF t V V i C I T R  = = − (6) Từ rút được: ( ) 2 o g OFF L V V T I L −  = (7) Cân IL biểu thức (2) (7) suy ra: ( ) 2 2 o g OFF g ON V V T V T L L − = (8) Với ON ON OFF T D T T = + , thay vào (8): 1 g o V V D = − (9) Giả sử tổn thất công suất tức: g L o o V I =V I (10) Kết hợp (9) với (10) rút được: 1 o L I I D = − (11) Từ (2) (4) suy ra: 2 2 g ON g ON g g L L L s L V T V T D V TD V D L I D I I f I = = = =     (12) 0 2 2 o ON o t o t o s t o V DT V DT V D C R V R V f R V = = =    (13) Trong đó: fs tần số đóng cắt (switching) van đóng cắt Tín hiệu PWM Bộ điều khiển MPPT DC DC PMT + - Tải Vpv Ipv Hình 5.Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời Nguyên lý dung hợp tải: Thay đổi vị trí điểm làm việc cách thay đổi góc nghiêng ( ) td R t θ D,R tức thay đổi hệ số điều chế D Việc thay đổi D hợp lý thu giao điểm hai đường đặc tính xác lập điểm MPP DC DC PMT + - Tải Tín hiệu PWM Bộ tạo xung PWM Thuật toán MPPT Vpv Ipv Hình 6.Pin mặt trời với thuật tốn P&O điều khiển trực tiếp hệ số điều chế D Nguyên lý hoạt động thể đồ thị đặc tính hình P [ W ] V [V] Pmpp 0 Vmpp MPP 1 3 2 4 I [A] V [V] Impp 0 Vmpp 1/Rtd1 MPP 1/Rmmp 1/Rtd2 Tăng D Giảm D a) Đặc tính P-V b) Đặc tính I-V Hình Mơ tả thuật tốn P&O điều khiển trực tiếp hệ số điều chế D (4)P(k) = V(k).I(k) ΔP = P(k) - P(k-1) ΔV = V(k) - V(k-1) Bắt đầu P&O Đo V(k), I(k) ΔP >0 ΔV > ΔV > D = D + ΔD D = D - ΔD D = D + ΔD V(k-1) = V(k) P(k-1) = P(k) Đ Đ S S S Đ D = D - ΔD Hình 8.Lưu đồ thuật tốn P&O điều khiển trực tiếp hệ số điều chế D Thuyết minh thuật toán: Đo giá trị dòng áp thời điểm k pin mặt trời Tính P(k)=V(k) I(k) , P =P(k)−P(k 1)− V V(k) V(k 1)  = − − - Nếu  P 0và  V  P 0và 0 V   giảm chu kỳ nhiệm vụ D - Nếu  P 0và  V  P 0và 0 V   tăng chu kỳ nhiệm vụ D Cập nhật giá trị dịng điện cơng suất thực chu trình 3 Hệ thống pin mặt trời biến đổi boost sử dụng thuật tốn MPPT Mơ hình mơ hệ thống pin mặt trời biến đổi Boost sử dụng thuật tốn P&O đưa hình Thuật tốn P&O u cầu điện áp dịng điện đầu sau hệ thống pin mặt trời để tính tốn cơng suất tức thời nhằm đưa giá trị D phù hợp Thuật tốn P&O mơ Matlab/ Simulink [8] đưa hình 10 Hình 9.Mơ hình mơ biến đổi Boost và thuật tốn P&O Hình 10.Mơ hình mơ thuật tốn P&O (a) Đặc tính I-V; (b) Đặc tính P-V Hình 11.Đặc tính I-V đặc tính P-V hệ thống pin mặt trời sử dụng thuật toán P&O 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 THOI GIAN(s) D IE N A P (V ) DIEN AP DAU RA PMT (a) Điện áp đầu vào; 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 100 200 300 400 500 THOI GIAN(s) D IE N A P (V ) DIEN AP DAU RA BO BIEN DOI (b) Điện áp đầu Hình 12.Điện áp đầu vào đầu biến đổi (5)0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 THOI GIAN(s) C O N G S U A T (W ) CONG SUAT PHAT RA CUA PMT Hình 14.Công suất phát pin mặt trời 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -0.1 -0.05 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 THOI GIAN(s) TY SO CHU KY D Hình 15.Hệ số điều chế D thuật tốn P&O tính tốn Kết mô trường hợp đưa hình 11 đến 15 Đặc tính I-V đặc tính P-V hình 11 cho thấy pin mặt trời làm việc điểm công suất cực đại hai trường hợp cường độ sáng 1000 W/m2 800 W/m2 chiếu vào Công suất pin mặt trời phát ra thể hình 14 phù hợp với kết tính tốn lý thuyết Điện áp đầu vào đầu biến đổi Boost đưa Hình 12, tương ứng với giá trị điện áp giá trị dịng điện chảy qua cuộn cảm hình 13, giá trị điện áp tương ứng với giá trị D mà thuật tốn P&O tính tốn đưa hình 15 4 Thiết kế biến đổi cộng hưởng LLC Giả sử thực tế, ta thiết kế Bộ biến đổi cộng hưởng LLC với số liệu sau: - Điện áp vào danh định : 400 VDC - Điện áp đầu : 48V - Dòng điện đầu : 62,5A - Công suất LLC : 3000W Hình 16. Sơ đồ mạch lực biến đổi LLC 4.1 Xác định hệ số điện áp lớn nhỏ Ta thấy tần số cộng hưởng f0 có hệ số khuếch đại điện áp R p L L K = Hệ số khuếch đại f0 xác định K Người ta thường chọn K từ ÷ 7, điều dẫn đến hệ số khuếch đại điện áp đạt từ 1,1 ÷ 1,2 tần số cộng hưởng f0 Hình 17. Hệ số khuếch đại lớn nhất, nhỏ Giả thiết hệ số k đưa 7, lắp vào cơng thức ta có: 14 , 7 max min =  + = + = k k V V M in RO 34 , 1 14 , 1 . 341 400 min max max =  = M V V M in in 4.2 Tính tốn thơng số mạch cộng hưởng Theo tính tốn bước trên, ta có tỷ số hệ số điện áp đầu vào lớn (Vinmax) so với hệ số điện áp đầu vào nhỏ (Vinmin) 1,34 Với 10% số dư, hệ số khuếch đại đỉnh yêu cầu 1,47 Hệ số k chọn 7, hệ số tải Q đạt 0,44 từ hệ số khuếch đại đỉnh Bằng cách chọn tần số cộng hưởng 85kHz tính thành phần cộng hưởng sau: 34 , , 7 max = = M K Tính tốn điện trở tải tương đương: ( ) = = = 46 3000 14 , 48 , 2 2 2 P V n Rac  Peak gain = 1,34×110% = 1,47 ( )nF R f Q C ac r 93 46 10 85 44 , = = =   ( f ) C ( )H L r r   (6)( ) ( )L (( )) ( )H k k Lp r 38 162  1 1 2 12 = + + = + + = Dựa vào tính tốn thiết kế, chọn giá trị r p L L , tích hợp MBA theo bảng 1: Lr = 222 H Lp = 623 H Hình 18.Thiết kế mạch cộng hưởng sử dụng hệ số đỉnh với k=7 Bảng Lựa chọn giá trị Lp Lr Gap length Lp Lr 0,0 mm 5,669 H 237 H 0,05 mm 2,105 H 235 H 0,10 mm 1,401 H 233 H 0,15 mm 1,065 H 230 H 0,20 mm 890 H 225 H 0,25 mm 788 H 224 H 0,30 mm 665 H 223 H 0,35 mm 623 H 222 H Hình 19.Mơ hình mơ biến đổi LLC 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 320 340 360 380 400 420 440 460 THOI GIAN(s) D IE N A P (V ) GIA TRI DIEN AP DAU VAO BO BIEN DOI LLC Hình 20 Giá trị điện áp đầu vào biến đổi cộng hưởng LLC Giá trị điện áp đầu vào LLC biến thiên dải rộng hình 20 từ 450V đến 360V Với giá trị điện áp đầu vào biến đổi hình 20 điện áp đầu biến đổi cộng hưởng LLC thu hình 21 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 40 42 44 46 48 50 THOI GIAN(s) D IE N A P (V ) DIEN AP DAU RA BO BIEN DOI CONG HUONG LLC Hình 21.Điện áp đầu biến đổi LLC Kết mô điện áp đầu biến đổi LLC cho ta thấy điện áp đầu vào biến đổi thay đổi khoảng rộng điện áp đầu giữ giá trị điện áp đặt mong muốn 48V Tại thời điểm t=0,01(s), cho điện áp đầu vào thay đổi từ 450V xuống 420V hình 21, điện áp đầu biến đổi cộng hưởng LLC bị dao động xuống 46V sau ms ổn định quay lại giá trị 48V Tương tự thời điểm t=0,02(s); 0,03(s); 0,04(s) cho điện áp đầu vào biến đổi LLC thay đổi từ 420V→400V; 400V→360V; 360V→320V điện áp đầu biến đổi cộng hưởng LLC thay đổi nhỏ tầm 2V nhanh cỡ ms ổn định quay giá trị 48V mong muốn Điều cho thấy hệ thống biến đổi Boost kết hợp với biến đổi cộng hưởng LLC hoàn toàn phù hợp cho cấu trúc pin mặt trời sử dụng cho viễn thông Ngoài khả chuyển mạch mềm biến đổi LLC van chuyển mạch thu hình 22 Hình 22.Đáp ứng dịng điện điện áp chảy qua van (7)dòng điện nhỏ, mà dịng khơng liên quan đến dịng tải nên ZVS đạt chế độ khơng tải Dịng điện ngắt dịng van Mosfet Dịng ngắt van nhỏ dịng tải nên tổn thất ngắt mạch giảm Vậy tổn thất chuyển mạch van nhỏ, dòng điện qua van biến đổi làm việc ổn định cho thấy ta đạt chuyển mạch ZVS 5 Kết nghiên cứu Trong đề tài mình, nhóm nghiên cứu đạt kết sau: - Mơ hình hóa pin mặt trời đưa đường đặc tính pin mặt trời - Nghiên cứu xây dựng hệ thống pin mặt trời, biến đổi Boost thuật toán MPPT đảm bảo hệ thống lượng mặt trời làm việc điểm công suất cực đại cường độ ánh sáng thay đổi Điều chứng minh qua mơ hình mơ Matlab/Simulink - Xây dựng biến đổi LLC có cơng suất KW làm tầng thứ hai cho hệ thống biến đổi công suất hệ thống lượng mặt trời sử dụng viễn thơng Qua mơ hình mơ ta thấy, điện áp đầu biến đổi LLC ổn định 48V điện áp đầu vào thay đổi phù hợp với lý thuyết đề 6 Kết luận Khi sử dụng lượng mặt trời làm nguồn cho trạm viễn thông yêu cầu điện áp đầu hệ thông lượng mặt trời phải ổn định 48V độ nhấp nhô điện áp đầu nhỏ gặp biến động điện áp điện áp đầu pin mặt trời ln thay đổi theo cường độ sáng Vì vậy, cấu trúc biến đổi nghiên cứu báo gồm hai tầng biến đổi Boost thuật toán MPPT đảm bảo cho pin mặt trời hoạt động điểm công suất cực đại Tuy nhiên, điện áp đầu sau biến đổi Boost biến động liên tục cấp điện áp 400V nên sử dụng trực tiếp cho nguồn viễn thơng, sử dụng tiếp tầng biến đổi thứ hai sử dụng biến đổi cộng hưởng LLC đảm bảo điện áp đầu 48V đầu vào thay đổi Ý tưởng mạch hai tầng gồm Boost biến đổi cộng hưởng LLC cách đơn giản để tiếp cận vấn đề tạo nguồn ổn định trạm viễn thông từ hệ thống pin mặt trời nhưng hệ thống hai biến đổi liên tiếp tương đối cồng kềnh Chúng ta xây dựng hệ thống Boost tích hợp hệ thống biến đổi cộng hưởng LLC cách trực tiếp để giảm tối đa tổn hao không cần thiết TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] R F Coelho, W M Dos Santos, and D C Martins, Influence of Power Converter on PV Maximum Power Point Tracking Efficiency, Federal University of Santa Catarina- Electrical Engineering Departmant, July 2010 [2] M G Villalva, J R Gazoli, and E R Filho, “Analysis and simulation of the P&O MPPT algorithm using a linearized PV array model,” 10th Brazillian Power Electronics Conference (COBEP), 2009 [3] R Rawat, and S S Chandel, “Hill climbing techniques for tracking maximum power point in solar photovotaic systems - a review,” Special Issue of International Journal of Sustainable Development and Green Economics (IJSDGE), vol 2, no 1, pp 2315-4721, 2013 [4] R F Coelho, F M Concer, and D C Martins, “Analytical and Experimental Analysis of DC-DC Converters in Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Applications,” IECON 2010 - 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, Nov 2010 [5] M H Lokesha, and S G Srivani, “LLC resonant converter design and development” 2014 Annual IEEE India Conference (INDICON), February 2015 [6] J Jang, M Joung, and B Choi, “Dynamic analysis and control design of optocouplerisolated LLC series resonant converters with wide input and load variations,” IET Power Electron., vol 5, no 6, pp 755-764, Mar 2012 [7] Z Zhao, Q Xu, and Y Dai, “Efficiency optimization design of LLC resonant converter for battery charging,” Conference: 2018 13th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), May 2018 IECON 2010 - 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Lokesha, an S G Srivani, 2014 Annual
- Xem thêm -

Xem thêm: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CẤP CHO TRẠM VIỄN THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CẤP CHO TRẠM VIỄN THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Hình ảnh liên quan

Hình 1. Cấu trúc nguồn DC/DC sử dụng cho trạm vi ễn thông - NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ NGUỒN  CẤP CHO TRẠM VIỄN THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Hình 1..

Cấu trúc nguồn DC/DC sử dụng cho trạm vi ễn thông Xem tại trang 2 của tài liệu.
Hình 4. Mạch tương đương khi van Q1 khóa và - NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ NGUỒN  CẤP CHO TRẠM VIỄN THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Hình 4..

Mạch tương đương khi van Q1 khóa và Xem tại trang 3 của tài liệu.

Từ khóa liên quan