Thiết kế bao gồm chuyển đổi hai chiều (DC<->AC)

MỞ ĐẦU Hệ thống lưu trữ năng lượng dành cho các ứng dụng khi tải tiêu thụ năng lượng lớn.Thiết kế bao gồm chuyển đổi hai chiều (DC<->AC) với một công cụ chuyển đổi dc-dc có khả năng giao tiếp với nguồn pin và với lưới điện xoay chiều.Các mục tiêu chính của dự án bao gồm việc thực hiện trong hai chế độ hoạt động: một là chế độ xả pin để đưa năng lượng ra lưới , hai là chế độ sạc pin khi đưa năng lượng từ lưới vào. Thiết kế được chỉ định sử dụng cùng một phần cứng trong hai chế độ hoạt động và do dó có chức năng chuyển đổi năng lượng hai chiều. Chế độ xả được quy định cụ thể như quá trình đẩy năng lượng từ ngân hàng pin và sử dụng nó bổ sung cho lưới điện.Thực hiện bằng cách Boost điện áp nguồn pin đến mức cần thiết và sau đó chuyển đổi nó sang xoay chiều với tần số và pha thích hợp để bơm vào lưới điện hiện tại.Chế độ này yêu cầu đồng bộ của đầu ra chuyển đổi với điện áp lưới để đảm bảo không xảy ra xung đột và giảm thiểu công suất phản kháng.Ngoài ra ,có thể sử dụng lưới điện để nạp cho ngân hàng pin và tích trữ năng lượng. Hình 1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1.Công nghệ tích lũy năng lượng 1.1.1.Siêu tụ Khi muốn tích lũy năng lượng điện chúng ta đều nghĩ đến pin hoặc ăcquy là những nguồn điện hóa quen thuộc.Các nguồn điện hóa mặc dù rất phổ biến nhưng có nhược điểm chung là có dung lượng hạn chế, các sản phẩm phế thải của chúng không thân thiện với môi trường. Thời gian nạp của các ăcquy đòi hỏi nhiều giờ.Công nghệ vật liệu tiên tiến nano cho phép khắc phục được những nhược điểm này. Ngày nay người ta đã chế tạo được các siêu tụ điện có điện dung tới 5000 fara, cao hơn điện dung của các tụ điện thông thường hàng tỷ lần, thời gian nạp chỉ khoảng 10giây. Siêu tụ điện mở ra triển vọng ứng dụng vô cùng to lớn. Vài nét về lịch sử Hình 1.1 Các siêu tụ Người ta đã tình cờ phát hiện siêu tụ điện từ năm 1957 khi các kỹ sư của General Electric sử dụng than hoạt tính để chế tạo điện cực, khi đó người ta 2 chưa giải thích được cơ chế hoạt động của nó. Tiếc thay sau đó General Electric ngừng phát triển theo hướng này. Năm 1966 siêu tụ điện được phát hiện trở lại khi các kỹ sư của Standard Oil của Ohio nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu . Người ta sử dụng hai lớp than hoạt tính được phân cách bằng chất cách điện xốp, tuy nhiên họ cũng thất bại trong việc thương mại hóa siêu tụ điện. Từ năm 1990 do sự phát triển của công nghệ vật liệu tiền tiến cỡ nano (1 nano mét bằng một phần tỷ mét) các sản phẩm siêu tụ điện đã được thương mại hóa với thị trường lên đến 400 triệu USD năm 2005. Đặc biệt trong lĩnh vực nguồn điện cho ôtô điện dựa trên công nghệ CMOS kích cỡ 22 nm, siêu tụ điện đã có bước tiến rất đáng kể. Tụ điện là hai bản kim loại phân cách giữa chúng là chất điện môi (hình 1.a). Điện dung của tụ điện C tính bằng fara đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng điện trường của nó. Điện dung của tụ điện phẳng tính bằng: C=E.A/d Trong đó : E là hằng số điện môi, A là diện tích bản cực, d là khoảng cách giữa hai bản cực. Để tăng điện dung C cần chế tạo tụ điện có diện tích bản cực lớn, bằng cách sử dụng nhiều lá nhôm mỏng quấn lại hoặc giảm khoảng cách giữa hai bản cực. Tuy nhiên khi giảm khoảng cách thì điện áp định mức của tụ điện cũng giảm đi. Trong tụ điện truyền thống năng lượng được tích lũy bởi hạt mang điện là các điện tử và tạo nên điện áp giữa hai bản cực. Các tụ điện thông thường chỉ có điện dung cỡ microfara (một phần triệu fara). Tụ điện hóa có lớp điện phân tạo nên lớp điện môi oxit nhôm rất mỏng, bền vững nên điện dung của nó tăng rõ rệt. Chú ý là tụ hóa có cực tính. 3 Trong siêu tụ điện còn gọi là supercapacitor hoặc ultracapacitor, bản cực là than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lỗ rỗng. Nhờ cấu trúc gồm lỗ rỗng nhỏ li ty này mà diện tích bản cực tăng lên rất nhiều. Diện tích bản cực của điện cực than hoạt tính vào khoảng 400 - 1000 m/gam. Ví dụ tụ điện điện cực than hoạt tính có kích cỡ bằng nửa lon nước ngọt có diện tích bản cực tới 25.000m 2 , khoảng cách cũng giảm đi rất nhiều, do đó điện dung có thể đạt được cỡ fara lớn hơn điện dung của tụ điện hóa thông thường hàng triệu, thậm chí hàng tỷ lần. Để chế tạo các bản cực trong siêu tụ điện người ta thường sử dụng: -Carbon nanotubes. - Oxit kim loại. - Polyme dẫn điện. Điện áp giữa các bản cực vào khoảng 2-3 V Trong tụ điện truyền thống năng lượng được tích lũy bởi hạt mang điện là các điện tử và tạo nên điện áp giữa hai bản cực. Trong siêu tụ điện mỗi lớp gần như vật dẫn chỉ chịu được điện áp thấp. Để chịu được điện áp cao chúng cần được ghép nối tiếp với nhau. Nói chung để tăng mật độ năng lượng tích lũy cần sử dụng vật liệu xốp cỡ nano. Các ăcquy chì có mật độ năng lượng 30-40 Wh/kg, ăcquy Lithium-ion có mật độ năng lượng lên đến 120 Wh/kg còn các siêu tụ điện có mật độ năng lượng tới 6 kWh/kg với hiệu suất 95%. Ăcquy hoạt động dựa theo nguyên lý điện hóa do đó tốc độ phóng nạp của nó tương đối chậm.Việc nạp đầy ắcquy cần khoảng 8 giờ. Các tụ điện có thể phóng nạp rất nhanh với hằng số thời gian bị giới hạn bởi tổn hao nhiệt của các điện cực, do đó chỉ bằng một phần trăm thời gian nạp ăcquy. Các đặc điểm của siêu tụ 4 So với pin và ăc quy thông thường siêu tụ điện có những đặc điểm sau: Cho phép nạp rất nhanh (nạp đầy trong khoảng 10 giây). Cho phép phóng nạp nhiều lần (hàng vạn lần) so với từ 200 đến 1000 lần của ăcquy.Phương pháp nạp đơn giản, không cần mạch cảnh báo nạp đầy,khi quá tải không gây ảnh hưởng tới tuổi thọ.Tuổi thọ cao, trên 10 năm Nhược điểm của siêu tụ điện là điện áp mỗi tụ nguyên tố thấp hơn, hiện tượng tự phóng nhanh hơn so với pin điện hóa do có nội trở lớn hơn. 1.1.2.Tích lũy năng lượng bằng bánh đà Dùng cánh quạt thu gió biến thành chuyển động quay, rồi chuyển năng lượng cơ học đó vào bánh đà thành “kho” năng lượng sử dụng cho máy phát điện. Nhờ thế máy có thể chạy ổn định liên tục dù gió mạnh hay yếu. Đây là giải pháp tiềm năng nhằm khai thác, tích lũy năng lượng từ gió - nguồn năng lượng vô tận vừa sạch vừa rẻ .Ý tưởng dùng bánh đà để tích lũy năng lượng gió được thực hiện theo nguyên lý động lượng của Newton, tức "nếu không chịu tác dụng bởi một tổng lực khác không thì một vật đang đứng yên sẽ đứng yên mãi mãi, và một vật đang chuyển động sẽ chuyển động mãi mãi". Sau khi được tích năng, bánh đà sẽ bảo toàn năng lượng theo định luật: "Năng lượng không tự nhiên xuất hiện và cũng không tự nhiên mất đi, nó chuyển từ dạng này sang dạng khác".Phương pháp tích năng lượng bằng bánh đà hiệu quả và tiện lợi hơn các phương pháp dùng điện gió xưa nay bởi có thể trữ lại một lượng năng lượng khổng lồ, đủ sức vận hành máy phát điện trong những khi gió yếu.Cấu trúc của bánh đà là một khối kim loại có hình trụ đồng trục đặt trên hai gối đỡ làm bằng vòng bi chịu được sự phá hoại của lực li tâm khi ở tốc độ cao. Bánh đà có vận tốc càng lớn thì năng lượng tích lũy được càng lớn.Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong vô lăng theo nguyên lý như hồ thủy điện tích nước, từ đó nó sẽ được sử dụng cho các máy công cụ hoặc máy phát ra điện bằng việc kết nối truyền 5 động, năng lượng trong vô lăng sẽ cưỡng bức làm quay máy công cụ theo đúng nguyên lý truyền năng lượng từ cao đến thấp.Khi máy công cụ không sử dụng, năng lượng trong bánh đà vẫn được bảo toàn theo nguyên lý động lượng. “ Khi không có gió, máy công cụ, máy phát điện vẫn hoạt động do có được năng lượng cơ học đã tích trữ trong bánh đà".Theo nguyên lý “góp gió thành bão" con người vẫn thu được năng lượng trong những làn gió yếu để tích lũy được vào bánh đà, vì vậy bố trí các nhà máy khai thác năng lượng gió có thể xây dựng khắp mọi nơi mà không phụ thuộc vào tốc độ gió, bản đồ năng lượng gió và không hề tác động có hại cho môi trường. Bánh đà cấu tạo đơn giản, trục thẳng, không cần làm mát như động cơ nhiệt, không thải ra chất độc hại nên việc khai thác năng lượng gió sẽ đặt bất kỳ vị trí nào trong bệnh viện, trường học, chợ búa, khách sạn, trên tàu thuyền, trong nhà máy, hải đảo, đỉnh núi .Trên thực tế việc thiết kế các nhà máy "phong điện" dường như chỉ phù hợp với những địa phương ít bị chắn gió, địa hình trống trải hơn là ở các đô thị. 1.2.Các bộ biến đổi DC-DC 1.2.1 Giới thiệu Về nguyên lý biến đổi sơ đồ DC-DC có thể được phân thành 2 loại : Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly, với sơ đồ này điện áp DC được tạo ra nhờ viêc phóng nạp tụ điện từ dòng điện qua L được cung cấp bởi nguồn Điện áp DC ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc hợp lý tùy thuộc vào từng sơ đồ. Các sơ đồ theo nguyên lý này gồm có : Sơ đồ biến đổi Buck, Sơ đồ biến đổi Boost, Sơ đồ biến đổi Boost-Buck Sơ đồ biến đổi DC-DC cách ly, với sơ đồ này điện áp DC đầu vào được biến đổi thành điện áp xoay chiều và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên 6 qua biến áp, sau khi qua một hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp DC với biên độ mong muốn. Các sơ đồ biến đổi này gồm có: Sơ đồ biến đổi FlyBack, Sơ đồ biến đổi hai transitor thuận , Sơ đồ biến đổi nửa cầu,Sơ đồ biến đổi hai nửa cầu ,Sơ đồ biến đổi sử dụng 2 cuộn sơ cấp. 1.2.2.Sơ đồ biến đổi Buck Sơ đồ biến đổi Buck là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều thấp hơn, thường được sử dụng trong các bộ ổn định điện áp thay cho các mạch analog truyền thống. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động : Hình 1.2: Sơ đồ mạch Buck Nguyên lý hoạt động : Quá trình năng lượng xảy ra như sau: .Trong khoảng thời gian từ 0-t o khi van dẫn năng lượng của nguồn sẽ được cấp cho phụ tải (U R =E).Vì dòng điện từ nguồn cấp cho tải phải đi qua điện cảm L,nên điện cảm này sẽ được nạp năng lượng trong giai đoạn van Q dẫn Các phương trình áp & dòng: U L =E-U R =L L di dt (1.1) ⇔ L di dt = R E U L − (1.2) 7 ⇒ ∆ i L(on) = ( ) R E U T L γ − (1.3) .Trong khoảng thời gian t o –T,van Q khóa,điện cảm phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước,dòng điện qua L vẫn theo chiều cũ và chạy qua D Các phương trình áp & dòng: U L =-U R =L L di dt (1.4) ⇔ L di dt = R U L − (1.5) ⇒ ∆ i L(off) = ( ) ( ) 1 R U T L γ − − (1.6) Sự biến thiên dòng i L khi van đóng và ngắt là như nhau ⇒ ( ) . R E U T L γ − = ( ) ( ) 1 R U T L γ − − (1.7) ⇒ U R = .E γ (1.8) 1.2.3.Sơ đồ biến đổi Boost Sơ đồ biến đổi Boost là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều có biên độ cao hơn, nó còn gọi là mạch step-up converter. Nguyên lý này thường được sử dụng cho việc cung cấp các điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp nguồn nuôi , với công suất nhỏ Sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động. 8 Hình 1.3: Sơ đồ mạch Boost Qui luật điều khiển Van Q theo nguyên tắc chung: Van Q dẫn trong khoảng (0- t o ) và khóa trong khoảng (t o -T).Điện áp ra tải sẽ lớn hơn điện áp vào với tỷ lệ tùy thuộc vào tỷ lệ giữa t o và T .Khi van Q dẫn,toàn bộ điện áp nguồn được đặt vào cuộn cảm và dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn cảm,cuộn cảm được nạp năng lượng.Trong giai đoạn này Diode khóa và tải bị cắt khỏi nguồn,do đó năng lượng ra tải sẽ nhờ điện dung C. Các phương trình áp và dòng: U L =E=L L di dt ⇔ L di dt = E L ⇒ ∆ i L(on) = .E T L γ (1.9) Trong đó: E điện áp cấp ,T chu kỳ đóng mở van .Khi van Q khóa,năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải.Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy từ quá trình trước trong điện cảm nên điện áp ra tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn E.Tụ điện C dùng để tích lũy năng lượng và cấp cho tải khi van Q dẫn. Các phương trình áp và dòng: 9 U L =E-U R =L L di dt ⇔ L di dt = R E U L − ⇒ ∆ i L(off) = ( ) ( ) 1 R E U T L γ − − (1.10) Sự biến thiên dòng i L khi van đóng và ngắt là như nhau ⇒ .E T L γ = ( ) ( ) 1 R E U T L γ − − ⇔ U R = 1 E γ − (1.11) .Tham số chọn van.Dòng trung bình qua van I Q = 1 R I γ γ − ⇒ I Qmax = ax ax 1 m R m I γ γ − (1.12) Khi van Q khóa chịu điện áp trên tụ C hay điện áp tải U Qmax =U Cmax =U Rmax (1.13) .Dòng trung bình qua điện cảm bằng tổng dòng qua tải và dòng qua van Q I L =I Q +I D = 1 1 R I γ − (1.14) .Tham số chọn Diode.Dòng trung bình qua Diode : I D =I R (1.15) Khi van Q dẫn Diode chịu điện áp ngược là điện áp trên tụ C ,do đó trị số lớn nhất tương ứng: U Dngmax =U Cmax =U Rmax (1.15) 1.2.4.Sơ đồ biến đổi Fly Back Sơ đồ biến đổi FlyBack là loại mạch công suất biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều, công suất khoảng 250W, loại mạch này có sử dụng biến áp xung mục đích để cách ly điện áp đầu vào và đầu ra . FlyBack Converter thường được sử dụng trong các bộ nguồn công suất nhỏ, ví dụ : ti vi, loa 10 . lớn .Thiết kế bao gồm chuyển đổi hai chiều (DC<->AC) với một công cụ chuyển đổi dc-dc có khả năng giao tiếp với nguồn pin và với lưới điện xoay chiều. Các. từ lưới vào. Thiết kế được chỉ định sử dụng cùng một phần cứng trong hai chế độ hoạt động và do dó có chức năng chuyển đổi năng lượng hai chiều. Chế độ