Bộ biến đổi DC-DC nhiều cổng dùng nguồn năng lượng mặt trời

Bài viết trình bày giải pháp cho bộ biến đổi DC-DC nhiều cổng sử dụng nguồn quang điện pin mặt trời PV, cho phép cải thiện sự tích hợp giữa nguồn, tải/đường dây DC và hệ thống tích lũy năng lượng nhằm nâng cao tính ổn định trên hệ thống khi nối lưới AC. Đây là một tính năng kỹ thuật được nhiều người quan tâm trong các ứng dụng thực tế vì nó sẽ tạo ra một hệ thống sử dụng hiệu quả năng lượng từ nguồn và tải.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC NHIỀU CỔNG DÙNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THE MULTI-PORT DC-DC CONVERTERUSING ENERGY PHOTOVOLTAIC Nguyễn Thế Vĩnh1,*, Hoàng Mạnh Hùng2, Đặng Thanh Phú2 TÓM TẮT Trong nội dung báo trình bày giải pháp cho biến đổi DC-DC nhiều cổng sử dụng nguồn quang điện pin mặt trời PV, cho phép cải thiện tích hợp nguồn, tải/đường dây DC hệ thống tích lũy lượng nhằm nâng cao tính ổn định hệ thống nối lưới AC Đây tính kỹ thuật nhiều người quan tâm ứng dụng thực tế tạo hệ thống sử dụng hiệu lượng từ nguồn tải Trong đóng góp này, chúng tơi mơ tả biến đổi DC-DC nhiều cổng vào ra, sau phương pháp điều khiển tương ứng thể kết qua mô Cuối cùng, số kết thử nghiệm đưa để so sánh với phần mơ Từ khóa: Bộ biến đổi DC-DC, hệ thống quang điện, biến đổi hai chiều, đường dây DC, chiến lược quản lý lượng ABSTRACT In the work of this paper presents the solution for multi-port DC-DC converters using photovoltaic sources, allowing for improved integration between DC power, load / line and energy accumulation system to enhance stability on the system when grid-connected AC This is a technical feature that is of interest to many people in practical applications as it will create a system that efficiently uses energy from source and load In this contribution, we describe a multi-input and output DC-DC converter, followed by the corresponding control method and show the results through simulation Finally, some test results are given to compare with the simulation Keywords: DC-DC converter, photovoltaic system, bidirection converter, DC voltage, Battery, power management strategy Viện Quốc tế Pháp ngữ - Đại học Quốc gia Hà Nội Điện lực thị xã Đông Triều, Công ty Điện lực Quảng Ninh * Email: ntvinh1278@gmail.com Ngày nhận bài: 20/12/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/02/2021 Ngày chấp nhận đăng: 26/02/2021 sử dụng hầu hết hệ thống PV [1, 2] Chi phí cao, thiết bị cồng kềnh độ tin cậy thấp biến đổi sử dụng thiết bị điện hạn chế công nghệ trước đây, với công nghệ thiết bị điện tử công suất cải thiện nhược điểm nêu Hơn nữa, tồn phân phối điện hệ thống thiết kế hệ thống chuyển đổi điều khiển, chi phí hệ thống tổng thể độ tin cậy thực cải thiện [3-6] Các hệ thống bao gồm nhiều nguồn lượng phụ, số mức lưu trữ dự phòng lượng nhiều hoạt động tải, tất giao tiếp thông qua chuyển đổi lượng điện tử [7, 8] Tất nguồn lượng thay tái tạo giao tiếp với hệ thống lượng có thơng qua chuyển đổi điện tử công suất đặc tính động khác chúng Các giải pháp sách quy định [9, 10] đảm bảo việc sử dụng lượng tái tạo hệ thống lượng từ sở tiêu dùng đến nhà máy tập trung, thúc đẩy bền vững độc lập lượng toàn cầu Hệ thống phát điện phân tán dựa nguồn lượng tái tạo xem xét tăng trưởng theo cấp số nhân hai dạng nguồn tuabin gió hệ thống phát điện quang điện Trong nội dung báo đưa giải pháp tích hợp linh hoạt từ chuyển đổi có chức hệ thống BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Bộ chuyển đổi đề xuất báo chuyển đổi đầu kép đầu vào kép chế độ Bộ biến đổi phát triển tích hợp từ biến đổi MCB [13] hai chiều Buck-Boost [14] Hình cho thấy sơ đồ mạch kết hợp GIỚI THIỆU CHUNG Sự đóng góp chuyển đổi lượng hệ thống phân phối điện thảo luận chưa cải thiện khả kiểm soát, độ tin cậy, kích thước hiệu hệ thống Chỉ phần nhỏ ánh sáng mặt trời chiếu tới hệ thống PV chuyển đổi thành điện hữu ích thành phần không hiệu dễ bị hỏng Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Đề xuất chuyển đổi DC-DC hai chiều nhiều cổng Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Có bốn khóa S1, S2, S3 S4 Một biến nhị phân liên kết với khóa điện tử Điều cung cấp tổng cộng 16 trạng thái chuyển đổi phát sinh từ kết hợp bốn khóa Nhiều trạng thái số bị cấm Một trạng thái bị cấm tạo tình ngắn mạch khóa điện tử phải hấp thụ (hoặc tổn thất cao) lượng cảm ứng Do cần tránh trạng thái 2.1 Các chế độ hoạt động Trong chế độ thể hình 2, đầu vào cung cấp lượng cho tải kết nối với đường dây DC, máy biến áp xung hoạt động tích lũy xả lượng mạch Tỷ số điện áp đầu vào mạch tính tốn biểu thức (1) Hình Sơ đồ chế độ a) Hình Sơ đồ chế độ V =V (1 + N)((1 + k)/2) (1) Trong đó: N tỷ số máy biến áp cuộn dây n2/n1; k hệ số chặt chất lượng máy biến áp Từ cơng thức (1) ta có: = (1 + ) (2) Trong chế độ hình 3, đầu vào lượng mặt trời cung cấp lượng cho tải ắc quy, khóa S1 S2 hoạt động, cuộn dây máy biến áp LBat hoạt động Trong chế độ lượng rò rỉ cuộn dây sơ cấp máy biến áp nạp phần cho ắc quy, ắc quy nạp với giá trị nhỏ mạch phục hồi điốt D1 tụ C1 Điều kiện điều khiển độ rộng xung cho S2 biểu thức sau: V_Bat/V_PV = d2 (3) Trong chế độ hình 4, lượng pin mặt trời (PV) ắc quy cung cấp cho tải đường dây DC Chế độ lượng PV dần suy giảm theo thời tiết ngày Điều kiện độ rộng xung cho khóa S3: V_(DCload)/V_Bat = d3 (4) Từ biểu thức (2) (4) ta có điều kiện d3 > d1 (5) (b) Hình Sơ đồ chế độ 4, Hoạt động chế độ hình 5(a), lượng nguồn vào PV cung cấp cho tồn ắc quy, khóa S2 hoạt động thời gian tải đường dây DC đầy lượng cung cấp từ nguồn khác kết nối lên hệ thống Điều kiện điều khiển S2 chế độ Trong chế độ hình 5(b), lượng phía tải cung cấp ắc quy Trong chế độ lượng nguồn PV không sản xuất lượng (thời tiết tối) Điều khiển chế độ cho khóa S3 Trong chế độ hình 5(b), lượng ắc quy náp từ tải từ đường dây DC (thời điểm nguồn PV không cung cấp, bên tải lượng dư thừa) Điều kiện điều khiển S4 V_Bat/V_(DC load) = d4 (6) 2.2 Chế độ điều khiển cho DC-DC Hình Sơ đồ chế độ Trong mạch điều khiển sử dụng hai điều khiển tích phân tỷ lệ cộng sử dụng chế độ Một điều khiển nhằm mục đích theo dõi điểm cơng suất tối đa bảng PV Bộ điều khiển thứ hai nhằm mục đích trì điện áp khơng đổi tải Công suất tối đa theo dõi điểm bảng PV thực theo phương pháp P&O [11, 12] Đây điều khiển vịng kín mơ tả hình Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-96199 Chế độ 1: Chế độ hình ình 2, hoạt ho động PV tiếp xúc với ánh sáng mặt trờii trở tr thành nguồn lượng để cung cấp lượng ng cho tải t đường dây DC sạc cho ắc quy Chế độ thông thường thư vào ban ngày ánh sáng mặt trời tố ối đa có sẵn Mục đích chuyển đổi điện tử công suấtt chế ch độ hoạt động chuyển lượ ợng từ PV sang tải sử dụng mạch phản hồi PH1 o L1 = 1mH, L21 = 5mH o S1-4: IRF520, D1-2: Mur850 o Tải đường ng dây DC = 300 volt o Điện áp tham chiếu ắcc quy = 36 volt o Điện áp vào PV (60-80) 80) volt Nhóm tác giả thấy mạch mơ tương tự mạch nguyên ên lý hình Do cần số liệu kết tổng hợp tường Tại hình a, b đưa kkết phân tích tính tốn hiệu suất DC-DC nhiều ều cổng với chế độ thấp ên 95% Quan sát hình c, d cho kết hiệu suất ất thử nghiệm chế độ đến 5, chế độ llà phù hợp với chất chuyển đổi DC-DC DC Boost b thực ắc quy cung cấp lượng ợng cho tải DC liliên kết Hình Sơ đồ khối điều khiển cho DC-DC nhiều ều cổng Chế độ 2: Trong chuyển đổi cần n thêm vòng phản ph hồi cho việc nạp cho ắc quy Điều chế độ đ rộng xung cho khóa điện tử S2 S1 xác định công thức th (2) (3) Vịng phản hồi PH2 nhằm mụcc đích trì tr điện áp không đổi tụ VCBat Chế độ 3: Chế độ nhằm mụcc đích lượng lư đến tải hỗ trợ từ nguồn ắcc quy lượng lư từ nguồn vào PV giảm dần Có vịng phản hồii PH1 hoạt ho động để đảm bảo điện áp đầu Cload không đổ ổi Bản chất có 02 mạch chuyển đổi DC-DC độc lập từ 02 nguồn ngu PV ắc quy a) Chế độ 4: Chế độ nhằm mụcc đích sạc s ắc quy từ nguồn PV khoảng thời gian tảii đường đư dây DC lượng đầy Điều khiển mạch ch mạch m Buck với khóa S2 hoạt động Độ rộng xung đượ ợc điều chỉnh theo vịng lặp PH2 cho VCBat khơng đổi Chế độ 5: Trong chế độ trạng ng thái c nguồn PV không sản xuất lượng điện (thời điể ểm buổi tối) Mạch làm việc mạch DC-DC Boost, tải đượ ợc cung cấp lượng từ ắc quy, độ rộng xung điều u chỉnh ch vịng phản hồi PH1 cho VCload khơng đổi Chế độ 6: Trong chế độ ắcc quy đư nạp mà khơng có bảng PV Tình trạng phát sinh ắc quy xả hết lượng ánh sáng yếu, u, làm cho bảng b PV không hoạt động Bộ chuyển đổi hoạt động ng m chuyển đổi buck đơn giản với vịng PH3 b) KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THỰC ỰC NGHIỆM Sơ đồ mạch DC-DC nhiều cổng sử dụng phần mềm Orcad 10 để đưa kết mô Điề ều quan trọng cần lưu ý cho mục đích mơ phỏng, tất thành phần ph sử dụng gần lý tưởng Ngồi ra, điều chế độ đ rộng xung mơ so sánh cổng ng kỹ k thuật số Việc sử dụng thư viện liên kết động ng giúp thúc đẩy đ mô đun mã hóa, tái sử dụng mã, sử dụng nhớ hiệu hi giảm dung lượng Các giá trị tham số cho mụ ục đích mơ sau: Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn c) Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 mong muốn Sáu chế độ cần phải kiểm tra riêng Khi giai đoạn cho kết khả quan, sáu chế độ kết hợp để kiểm tra toàn hệ thống điều kiện khác Điều làm cho biến đổi nhiều cổng hệ thống linh hoạt thông minh cho hệ thống lượng phân tán d) Hình Hiệu suất thực chế độ, (a) Chế độ 1, (b) Chế độ 3, (c) Chế độ 4, (d) Chế độ Các kết thí nghiệm thực mức tải 550Ω Đây thực để kiểm tra logic theo dõi điểm công suất tối đa điều khiển chế độ Hình hệ thống thực thí nghiệm DC-DC nhiều cổng Kết thực nghiệm chưa tính đến tổn hao thành phần nguồn cung cấp, điều khiển vòng phản hồi cho thấy sai số so với kết mô khoảng 2% giá trị công suất (1000-1500)W hình Hình Hình ảnh cho hệ thống sử dụng DC-DC thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T Sakurai, 2003 Perspectives on power-aware electronics Solid-State Circuits Conference 2003 Digest of Technical Papers ISSCC 2003 IEEE International, vol 1, pp 26-29, 2003 [2] F Blaabjerg, Z Chen, S B Kjaer, 2004 Power electronics as efficient interface in dispersed power generation systems IEEE Trans Power Electron., vol 19, no 5, pp 1184-1194 [3] T Gonen, 2014 Electric power distribution engineering CRC press [4] A Communications, 2013 The hidden technology that makes the modern world run Power electronics [5] J A A Qahouq, 2009 N-phase efficiency-based current sensing auto-tuning controller in Proc Appl Power Electron Conf Expo., (APEC), pp 274–279 [6] E Dos Santos, 2013 Dual-output dc-dc buck converters with bidirectional and uni-directional characteristics Power Electronics, IET, vol 6, pp 999-1009 [7] W Kramer, S Chakraborty, B Kroposki, H.Thomas, 2008 Advanced Power Electronics Interfaces for Distributed Energy Systems Technical Report National Renewable Energy Laboratory NREL/TP581-42672 [8] P Anthony, N McNeill, 2014 The efficient deployment of silicon superjunction MOSFETs as synchronous rectifiers in Proc IET 7th Int Conf Power Electron Mach Drives, pp 1–6 [9] Federal Energy Regulatory Comission(FERC), 2009 Smart Grid Policy U.S [10] www.smartgrid-forums.com/forums/gis4smartgrid/, November 25, 2020 [11] Hou W., Jin Y., Zhu C., Li G., 2016 A Novel Maximum Power Point Tracking Algorithm Based on Glowworm Swarm Optimization for Photovoltaic System International Journal of Photoenergy, Article ID: 4910862 [12] Kanimozhi K., Rabi B.R.M., 2016 Development of Hybrid MPPT Algorithm for Maximum Power Harvesting under Partial Shading Conditions Circuits and Systems, 7, 1611-1622 [13] Nguyen The Vinh, Petit Pierre, Aillerie Michel, Salame Chafic, Charles Jean-Pierre, 2015 Efficiency of magnetic coupled boost DC-DC converters mainly dedicated to renewable energy systems: Influence of the coupling factor International Journal of Circuit Theory and Applications, 43(8): 1042–1062 [14] M Suetomi, D Imamichi, S Matsumoto, D Ueda, J R Yang, Y Ishizuka, W G Lin, H Matsuo, 2011 A novel bidirectional DC-DC converter with high power efficiency for isolation in high voltage DC power feeding systems in Proceedings of IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference, pp 1-4 Hình So sánh kết mô thực nghiệm KẾT LUẬN Mơ hình cho chuyển đổi DC-DC hai chiều, nhiều cổng Từ phân tích sáu chế độ đưa kết mô cho thấy sáu chế độ hoạt động kết Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) AUTHORS INFORMATION Nguyen The Vinh1, Hoang Manh Hung2, Dang Thanh Phu2 International Francophone Institute - Vietnam National University, Hanoi Power Corporation Dong Trieu, Quang Ninh Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... sáng mặt trờii trở tr thành nguồn lượng để cung cấp lượng ng cho tải t đường dây DC sạc cho ắc quy Chế độ thông thường thư vào ban ngày ánh sáng mặt trời tố ối đa có sẵn Mục đích chuyển đổi điện... Trong đó: N tỷ số máy biến áp cuộn dây n2/n1; k hệ số chặt chất lượng máy biến áp Từ cơng thức (1) ta có: = (1 + ) (2) Trong chế độ hình 3, đầu vào lượng mặt trời cung cấp lượng cho tải ắc quy,... suất DC-DC nhiều ều cổng với chế độ thấp ên 95% Quan sát hình c, d cho kết hiệu suất ất thử nghiệm chế độ đến 5, chế độ llà phù hợp với chất chuyển đổi DC-DC DC Boost b thực ắc quy cung cấp lượng