Với cấu Hình 2 cấp chuyển đổi, bộ chuyển đổi DC/DC được sử dụng để nâng điện áp đầu ra của hệ thống pin mặt trời đến điện áp cao hơn phù hợp với phụ tải một chiều và cấp điện áp xoay [r]
(1)THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC MỚI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
DESIGN OF A NEW DC/DC CONVERTER FOR SOLAR POWER SYSTEM Trịnh Trung Hiếu1, Đoàn Anh Tuấn1, Lê Thị Tịnh Minh2
1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tthieu@dut.udn.vn, datuan@dut.udn.vn 2Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh; le.thitinhminh@hcmut.edu.vn
Tóm tắt - Bài báo giới thiệu cách thiết kế chuyển đổi DC/DC phù hợp với thay đổi công suất nhà máy điện mặt trời Bộ chuyển đổi hình thành từ nhiều chuyển đổi có cơng suất nhỏ, chuyển đổi DC/DC công suất nhỏ nối với theo qui luật định nhằm tạo chuyển đổi có cơng suất lớn Dựa vào việc lập số chuyển đổi DC/DC công suất nhỏ kết hợp với điều khiển góc mở, điện áp định mức đầu vào đầu chuyển đổi đáp ứng cho dải điện áp rộng mong muốn Nghiên cứu thực lắp ráp chuyển đổi DC/DC 200W thực tế để áp dụng vào pin mặt trời PEPV-48-200 kiểm tra đo đạc Kết cho thấy, chuyển đổi DC/DC hoạt động ổn định, hiệu suất cải thiện áp dụng vào thực tế
Abstract - This paper introduces the designs of a new DC/DC converter meeting the variation of output power of a PV system This DC/DC converter consists of many DC/DC converters with small capacity; these small DC/DC converters are connected together among a fore-given rule to obtain a DC/DC converter with high capacity By isolating some of small DC/DC converters and firing angle adjustment, input and output voltage rating of this new DC/DC converter can meet the desired operation range This research also introduces a 200W DC/DC converter for the PEPV-48-200 PV panel whose measurements have been verified The testing results indicate that this DC/DC converter has stable operation, improved efficiency, and hence, it can be applied into practice
Từ khóa - Bộ chuyển đổi DC/DC; cải thiện hiệu suất; điện mặt trời Key words - DC/DC converter; efficiency improvement; photovoltaic 1.Đặt vấn đề
Điện mặt trời khai thác nhiều nơi giới giữ vai trò đáng kể việc đáp ứng nhu cầu điện tăng cao nhiều nước Dựa vào báo cáo REN21 (Renewable Energy Policy Network for the 21 century) [1], tổng dung lượng điện mặt trời lắp đặt năm 2017 98GW, tăng 30% so với 78GW vào năm 2016 đưa tổng cơng suất lắp đặt điện mặt trời toàn cầu từ 303GW vào 2016 lên đến 402GW vào cuối 2017 Tùy thuộc vào cường độ xạ trung bình, vốn đầu tư, mục tiêu mà công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời khác nhau, từ vài Watt đến hàng nghìn mega Watt cấu trúc nhà máy điện mặt trời khác
Cấu thành phần hệ thống điện mặt trời bao gồm: pin mặt trời, trữ lượng (ắc quy), chuyển đổi DC/DC, DC/AC [2] Cấu trúc hệ thống điện mặt trời bị phụ thuộc vào phụ tải, cấp điện áp, nhiều yếu tố khác Thơng thường có cấu hình sử dụng phổ biến cấu hình cấp chuyển đổi cấp chuyển đổi [3] Với cấu Hình cấp chuyển đổi, chuyển đổi DC/DC sử dụng để nâng điện áp đầu hệ thống pin mặt trời đến điện áp cao phù hợp với phụ tải chiều cấp điện áp xoay chiều lưới kết nối Tuy nhiên, việc sử dụng chuyển đổi chiều làm tăng tổn thất cơng suất hệ thống [4] dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi lượng toàn hệ thống nhà máy điện mặt trời Để tiết kiệm điện năng, cần phải tăng hiệu suất chuyển đổi chuyển đổi DC/DC Thực tế cho thấy, hiệu suất chuyển đổi DC/DC số mà phụ thuộc nhiều vào công suất truyền tải qua [5] Thơng thường hiệu suất chuyển đổi DC/DC đạt cực đại phạm vi 50%-60% công suất thiết kế giảm nhanh công suất qua nhỏ [5] Tuy nhiên, pin mặt trời, công suất đầu không cố định, công suất đạt định mức khoảng thời gian gần trưa công suất đầu nhỏ vào lúc sáng chiều [6], thời gian
công suất bé 40% đạt vài ngày, chưa kể đến tượng bóng che ngày nắng Như vậy, trường hợp này, công suất chạy qua DC/DC converter nhỏ (nhỏ 40%) nên hiệu suất chuyển đổi DC/DC thấp phần lớn công suất bị tiêu hao chuyển đổi Vì vậy, việc thiết kế chuyển đổi DC/DC có hiệu suất cao cần thiết
Nhiều tác giả đưa cấu trúc chuyển đổi DC/DC với hiệu suất cao [7], [8] Hầu hết nghiên cứu nhằm giảm tổn thất chuyển đổi từ nâng cao hiệu suất chuyển đổi Hiệu suất phụ thuộc vào cơng suất qua Điều có nghĩa rằng, khoảng thời gian cơng suất đầu pin mặt trời (PV: photovoltaic) thấp hiệu suất chuyển đổi DC/DC thấp Do vậy, việc thiết kế chuyển đổi DC/DC có cấu trúc cho trì cơng suất qua DC/DC gần với cơng suất làm việc bình thường (hiệu suất cao) công suất đầu PV thấp cần thiết
Bài báo giới thiệu cách thiết kế mộ chuyển đổi DC/DC áp dụng vào hệ thống điện mặt trời nhằm cải thiện hiệu suất hệ thệ thống điện mặt trời Ở đây, chuyển đổi DC/DC cấu tạo từ nhiều chuyển đổi DC/DC có cơng suất nhỏ để tạo cơng suất đủ lớn số chuyển đổi DC/DC nhỏ ngừng làm việc suốt thời gian công suất đầu PV nhỏ Bộ chuyển đổi DC/DC chế tạo thực tế kiểm chứng
2.Thiết kế chuyển đổi DC/DC
2.1.Hiệu suất chuyển đổi DC/DC
(2)làm giảm hiệu suất hệ thống điện mặt trời Hiệu suất chuyển đổi DC/DC tính
𝜂 =𝑃𝑜
𝑃𝑖 =
𝑃𝑖−∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑃𝑖 = −
∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑃𝑖 (1)
ở đó, 𝑃𝑖 𝑃𝑜 công suất đầu vào chuyển đổi
DC/DC; ∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 tổn hao công suất chuyển đổi
DC/DC Hiệu suất chuyển đổi phụ thuộc vào cơng suất qua 𝑃𝑖 Thông thường, hiệu suất chuyển đổi
DC/DC đạt giá trị lớn công suất truyền qua có giá trị cơng suất thiết kế Khi công suất truyền qua chuyển đổi nhỏ nhiều so với cơng suất định mức hiệu suất chuyển đổi suy giảm đáng kể - Hình 1b Trong thực tế, cơng suất đầu pin mặt trời thay đổi tuỳ thuộc vào điều kiện thời tiết, công suất chuyển đổi thiết kế với công suất lớn pin Vì vậy, hiệu suất chuyển đổi số thời điểm, công suất nhỏ truyền qua nó, có giá trị khơng tốt
(a)
(b)
Hình (a) Hệ thống điện mặt trời sử dụng chuyển đổi
DC/DC (b) đặc tính hiệu suất chuyển đổi DC/DC
Hình Cấu trúc chuyển đổi DC/DC thiết kế Để cải thiện hiệu suất chuyển đổi DC/DC, ta cần phải thiết kế chuyển đổi có cấu trúc Hình Bộ chuyển đổi cấu tạo từ nhiều chuyển đổi DC/DC có cơng suất nhỏ (SCM: Small DC/DC Converter
Module) để đạt công suất lớn Các SCM nối nối song song đầu vào nối nối tiếp đầu Tại phía SCM, có van điện tử, ví dụ SCM thứ 𝑛 có van (Sin, Son) đặt Hình Với cấu trúc này, cơng
suất đầu PV nhỏ, để tất SCM làm việc cơng suất qua SCM bé hiệu suất SCM giảm Trong trường hợp này, cách mở Sin đóng Son, ta có
thể lập SCM thứ 𝑛 Tương tự vậy, ta lập nhiều SCM để cơng suất qua SCM cịn lại đủ lớn nhằm đảm bảo hiệu suất SCM cao Kết là, hiệu suất chuyển đổi DC/DC trì hiệu suất cao Tuy nhiên, số lượng SCM cần lập cịn phụ thuộc vào dải điện áp làm việc chuyển đổi DC/AC
2.2.Lựa chọn cấu trúc chuyển đổi DC/DC
Có nhiều loại mạch chuyển đổi DC/DC khác Buck, Boost, Dual active Bridge… Tuy nhiên, qua phân tích ưu nhược điểm mạch khả tích hợp chúng vào pin, cấu trúc mạch DC/DC Hình nhóm nghiên cứu lựa chọn Cấu trúc sử dụng Mosfet phía nghịch lưu, diode để chỉnh lưu máy biến áp làm nhiệm vụ cách ly phía sơ cấp thứu cấp [10]-[12] Với cấu trúc mức chịu đựng điện áp mosfet diode giá trị ta sử dụng cơng nghệ chế tạo, dễ dàng tích hợp chuyển đổi vào pin Máy biến áp làm nhiệm vụ cách ly đảm bảo an toàn pin tải, phù hợp tải DC quan trọng
Hình Sơ đồ mạch chuyển đổi SCM
2.3.Thiết kế điều khiển
Trong trình làm việc, cường độ xạ thay đổi, để đảm bảo pin mặt trời phát công suất cực đại, điện áp đầu PV phải thay đổi theothuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) Nếu điện áp đầu SCM 𝑉𝑜 giữ cố định nhờ vào chuyển đổi DC/AC,
ta cần phải thay đổi độ rộng xung đưa vào chân G Mosfet SCM để điện áp đặt lên PV thay đổi theo yêu cầu thuật toán MPPT Sơ đồ điều khiển Hình
Ở điện áp đưa vào phát xung tính
𝑉𝑥= 𝑉𝑟𝑒𝑓− 𝑘𝐺(𝑠)𝑒 (2)
𝑒 = 𝑉𝑟𝑒𝑓− 𝑉𝑑𝑐−𝑖 (3)
𝐺(𝑠) = 𝑘𝑝+𝑘𝑖
𝑠 + 𝑘𝑑𝑠 (4)
với, 𝑉𝑟𝑒𝑓, 𝑉𝑑𝑐−𝑖 điện áp tham chiếu điện áp
thực tế đầu vào SCM; k, kp, ki kd số
bộ điều khiển; s toán tử laplace Điện áp Vref xác
định từ MPPT Đầu phát xung xung có độ rộng D cung cấp đến Mosfet Chú ý, xung đưa đến cặp Mosfet (Q1,Q3) ngược so với xung đưa
đến cặp Mosfet (Q2, Q4) Ở báo tác giả không
(3)(a)
(b)
Hình (a) tổng quan điều khiển (b) cấu trúc điều khiển 3.Lắp mạch thực tế
Bảng Các thông số pin mặt trời PEPV-48-200
Thông số Giá trị
Công suất định mức 200W
Điện áp hở mạch 30,1V
Dòng điện ngắn mạch 8,84A
Dòng điện đạt MPPT 8,37A
Điện áp đạt MPPT 23,89V
Hiệu suất pin 15,22%
Để thiết kế thử nghiệm chuyển đổi DC/DC Hình 2, tác giả sử dụng pin mặt trời loại PEPV-48-200 có thơng số Bảng đặc tính cơng suất P-V Hình
Ở điều kiện tự nhiên khu I - Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, ta có cơng suất phát pin PEPV-48-200W vào ngày 17/02/2019 Bảng
Hình Đặc tính P-V pin PEPV_48 200W
điều kiện chuẩn (1000W/m², 25 °C)
Bảng Công suất phát pin PEPV-48-200W vào
ngày 17/02/2019
Thời gian Nhiệt độ
(°C)
Cường độ xạ (Wh/m²)
Công suất (W)
07:00 26,15 204,27 30,437
08:00 31,34 335,97 57,462
09:00 35,68 446,8 78,642
10:00 43,97 702,2 121,93
11:00 43,95 648,89 113,01
12:00 43,96 633,33 110,12
13:00 45,97 697,07 119,74
14:00 44,08 619,12 105,47
15:00 37,41 385,19 64,304
16:00 33,01 276,38 40,458
17:00 26,66 28,67 4,002
Từ Bảng ta thấy, công suất đầu pin mặt trời trước 9:00am sau 15:00pm, công suất đạt bé 50% công suất định mức Nếu sử dụng chuyển đổi DC/DC có cơng suất 200W khoảng thời gian đó, hiệu suất chuyển đổi DC/DC bé Vì đây, tác giả thiết kế chuyển đổi DC/DC cách lắp ghép 10 SCM, SCM có cơng suất 20W Hình
Một SCM có cơng suất nhỏ 20W lắp ráp từ Mosfet Diode, thông số Mosfet Diodes lựa chọn Bảng
Bảng Thông số linh kiện điện tử SCM
Linh kiện điện tử Thông số
Diode (loại1N5822) VFM = 0,39V
Máy biến áp
Số vòng dây: n1=n2=24 vòng
Điện trở cuộn dây: R1 = R2 =0,021
Mosfet(loạiIRF3205) RDS(on)=8 m; Ciss=3247 pF
Hình Sơ đồ khối thực tế SCM
Thực lắp mạch thực tế cho SCM theo sơ đồ khối Hình Ở chức khối mạch điều khiển sau:
a.Khối Micro Controller: Sử dụng vi điều khiển Aruino Nano
b.Khối DAC Converter: Đây mô đun chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Ở tác giả sử dụng IC MCP4921 IC giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) Vi điều khiển đưa tín hiệu đến MCP4921 để đặt điện áp điều khiển cho khối Pulse Width Modulator
c.Khối Pulse Width Modulator: Đây khối điều chế độ rộng xung, có chức thay đổi độ rộng xung điều khiển, độ rộng xung điều khiển thay đổi từ (0-49) % tương ứng với điện áp điều khiển 0-3,6 Volts Ngõ khối điều chế độ rộng xung gồm ngõ tạo xung A B lệch pha góc 900, đồng thời có thời gian chết để tránh trường hợp trùng dẫn thực điều khiển cầu H
Cô
n
g
su
ất
(W
)
100 150 200
50
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
(4)d.Khối High and low side Driver: Khối thực chức điều khiển đóng cắt Mosfet cầu nghịch lưu
(a)
(b)
(c)
Hình Bộ chuyển đổi DC/DC thực tế: (a) SCM,
(b) mặt trước, (c) mặt sau
Mạch thực tế SCM chụp lại Hình 7a Hiệu suất SCM Hình
Bộ chuyển đổi DC/DC có cơng suất 200W ghép nối từ 10 SCM Hình 7b 7c Ở đây, 10 SCM chia thành khối, khối có SCM
Hình Hiệu suất SCM
(a)
(b)
(c)
(d)
Hình (a) Cơng suất đầu pin mặt trời, (b) số SCM bị
cô lập, (c) phần trăm công suất qua chuyển đổi, (d) hiệu suất chuyển đổi
Với chuyển đổi DC/DC thiết kế, hiệu suất chuyển đổi DC/DC sử dụng với pin mặt trời PEPV-48-200W Hình Từ Hình cho thấy, giai đoạn xạ mặt trời thấp, trước 9:00am sau 14:00pm, số SCM phải bị lập nhờ vào phần trăm cơng suất qua SCM cịn lại tăng lên Kết hiệu suất SCM cải thiện hẳn so với sử dụng chuyển đổi DC/DC cố định Ví dụ, giai đoạn từ 7:00am đến 8:am, cách cô lập bớt SCM, hiệu suất chuyển đổi DC/DC cải thiện từ 58,12% lên đến 82,2% Ở giai đoạn công suất đầu PV lớn, từ 9:00am đến 15:00pm, chuyển đổi DC/DC thiết kế vận hành với 10 SCM; nên hiệu suất chuyển đổi DC/DC thiết kế (gồm 10 SCM 20W) trì giống DC/DC 200W
Điện áp trước máy biến áp đầu SCM Hình 10 Kết cho thấy chuyển đổi làm việc ổn định
H
iệ
u
suấ
t
(%
)
100
80
60
40
20
0
Dòng điện (A)
0.6 1.2 1.8 2.4
Thời điểm (h)
C
ô
n
g
su
ất
(W
)
Thời điểm (h)
S
C
M
bị
cô
lậ
p
(bộ
)
M
ật
độ
c
ô
n
g
su
ất
(%
)
Thời điểm (h)
Thời điểm (h)
H
iệ
u
su
ất
(%
(5)(a)
(b)
Hình 10 Điện áp đo lường từ chuyển đổi DC/DC thiết kế:
(a) điện áp phía trước máy biến áp (b) đầu SCM
4.Kết luận
Bài báo thiết kế chuyển đổi DC/DC gồm nhiều chuyển đổi nhỏ sử dụng cho hệ thống điện mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất nhà máy điện mặt trời Các chuyển đổi nhỏ nối song song đầu vào nối nối tiếp đầu nhằm đạt điện áp đầu mong muốn Bộ chuyển đổi DC/DC lắp mạch thực tế kiểm tra Kết cho thấy chuyển đổi DC/DC làm việc tốt hiệu suất chuyển đổi DC/DC cải thiện giai đoạn cường độ xạ mặt trời thấp
Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng đề tài có mã số B2016-ĐN02-08 cấp ĐHĐN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2018/06/17-8652_GSR2018_FullReport_web_-1.pdf
[2] M Arunkumar, Mr K Palanivelrajan, “PV FED DC-DC converter with two input boost stages”, International Journal of Engineering and Applied Sciences (IJEAS), vol.4, Iss.4, pp.24-38, April 2017 [3] S Jain, V Agarwal, “A single-stage grid connected inverter
topology for Solar PV systems with maximum power point tracking”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.22, no.5, pp.1928 -1940, 2007
[4] T F Wu, C H Chang, L C Lin, and C L Kuo, “Power loss comparison of single- and two-stage grid-connected photovoltaic systems”, IEEE Trans Eenergy Conver., vol.26, no.2, pp.707-715, JUNE 2011
[5] P Riccardo, Z Zhe, A Michael A E., “Analysis of DC/DC converter efficiency for energy storage system based on bidirectional fuel cells”,
4th IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT Europe), October 6-9, Copenhagen, 2013
[6] B Parsons, “Variability of power from largescale solar photovoltaic scenarios in the State of Gujarat”, Technical report, https://www.nrel.gov/docs/fy14osti/60991.pdf (access on June 2018) [7] M S Agamy, M H Todorovic, A Elasser, R L Steigerwald, J A Sabate, S Chi, A J McCann, L Zhang, and F Mueller, “A high efficiency dc-dc converter topology suitable for distributed large commercial and utility scale PV systems.” 15th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2012 ECCE Europe, Novi Sad, Serbia
[8] D Huang, D Gilham, W Feng, P Kong, Dianbo, F C Lee”,High power density high efficiency DC/DC converter”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition International Conference
[9] G Sizikov, A Kolodny,E G Fridman, M Zelikson, “Efficiency optimization of integrated DC-DC buck converters”, 17th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, pp 1215-1218, 2010
[10]N George, E Sebastian, R George, “Practical evaluation of a full-bridge phase-shift-modulated ZVS DC-DC converter”, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, vol 3, Iss 5, pp 717-723, December 2014
[11]K P Kathirvelu and R Balasubramanian, “Design and implementation of PS-ZVS full bridge converter Journal of Applied Sciences, vol 14, pp 1588-1593, 2014
[12]O A Ahmed,J A M Bleijs, “Modelling and experimental verification of the effect of parasitic elements on the performance of an active-clamped current-fed DC–DC converter”, Simulation Modelling Practice and Theory, vol 59, pp 71-88, December 2015
http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2018/06/17-8652_GSR2018_FullReport_web_-1.pdf https://www.nrel.gov/docs/fy14osti/60991.pdf ( G Sizikov, A Kolodny,E G Fridman, M Zelikson,