Một hệ thống pin quang điện bao gồm nhiều tấm pin mặt trời (Solar Cell) mắc nối tiếp hoặc song song với nhau, nó có chức năng chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời sang điện năng. Hiệu điện thế nhận đƣợc phụ thuộc vào cƣờng độ bức xạ của mặt trời, nhiệt độ của tấm pin, dòng điện tải và chất lƣợng của mỗi loại pin mặt trời. Vì vậy yêu cầu của mục này là mô hình pin quang điện dựa trên các yếu tốtác động trên.
Nhƣ đã tìm hiểu ở chƣơng 1, một tấm pin mặt trời có sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng nhƣ sau:
Hình 3-1: Sơ đồ tƣơng đƣơng củapin quang điện. Và phƣơng trình đặc trƣơng Vôn – Ampe :
( 3.1 ) Trong đó :
- Dòng quang điện Iph đƣợc tính theo công thức sau[7]:
(3.2)
Với KI là hệ số nhiệt độ của dòng ngắn mạch đƣợc cho trong datasheet của nhà sản suất hoặc có thể lấy bằng 0.0012*ISC. TC và Tref là nhiệt độ hiện tại và nhiệt độ tham chiếu.
- Dòng bão hòa nghịch đảo Irs của module :
- Dòng bão hòa Is của diode trong sơ đồtƣơng đƣơng biến thiên theo nhiệt độđƣợc thể hiện ởcông thức sau [8] :
(3.4)
Với Eg là khe năng lƣợng của pin mặt trời, phụ thuộc vào vật liệu pin (ví dụ Eg=1.12eV đối với Si). Từ (3.3) và (3.4) ta cũng có thể biểu diễn Is theo công thức sau :
(3.5)
- Các tham số Rsvà Rshlà điện trở trong nối tiếp và điện trở Shunt của pin mặt trời, việc tính toán các tham số này có thể tính toán trực tiếp từ các tham số của datasheet hoặc là ƣớc lƣợng dựa trên đƣờng đặc tính Vôn – Ampe mà nhà sản xuất đƣa ra theo các công thức sau [9] :
(3.6)
Mô hình hóa pin quang điện trên Simulink
Từ công thức 3.1 ta giải phƣơng trình với ẩn là V, xem dòng pin quang điện là tín hiệu phản hồi để tạo ra nguồn áp phụ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng, nhiệt độ hoạt động và dòng pin quang điện. Mô hình hóa pin quang điện dựa trên các công thức toán học trên ta sẽ nhận đƣợc mô hình nhƣ hình 3-2.
Đểđơn giản hóa quá trình mô phỏng cũng nhƣ giúp cho việc mô phỏng chạy tốt hơn, ta tạm thời bỏ qua hiệu ứng do nhiệt độ tạo ra trong quá trình hoạt động của pin, tức là cho pin hoạt động ở một nhiệt độ cố định. Vì vậy, các tham số liên quan đến nhiệt độ sẽ đƣợc tính trong quá trình khởi tạo mô hình.
Hình 3-2: môhình pin quang điện trên Simulink.
Khối Algebraic Constraint có chức năng giải phƣơng trình Iph-Ipv-Id-Vd/Rp=0 để tìm ra giá trị hiệu điện thế 2 đầu diode trong mạch tƣơng đƣơng Vd, giá trị điện áp đầu ra của tấm pin mặt trời sẽ bằng Vd-IpvRs. Tiếp tục nhân với sốlƣợng pin mặt trời mắc nối tiếp nhau trong module ta sẽ nhận đƣợc điện áp đầu ra của PV module.
3.2. Thiết kế mạch động lực bộ micro-inverter
Mô hình mạch động lực của bộ micro-inverter gồm 3 khâu chính là bộ tăng áp (DC- DC converter), bộ nghịch lƣu (DC-AC inverter) và bộ lọc (LCL filter) nhƣ sơ đồ hình (3-3). Mục tiêu của mục này là thiết kếvà mô phỏng các khâu của mạch động lực.
Hình 3-3: Mô hình bộ micro-inverter
Yêu cầu thiết kế bộ micro-inverter có công suất hoạt động 360W, với độ dự trữ cho công suất hoạt động khoảng 10% thì yêu cầu tính dòng áp cho bộ inverter này ở công
Vin DC-AC
Inverter DC-DC
suất đỉnh khoảng 400W. Với điện áp hiệu dụng ở đầu ra là 220V thì ta có thể suy ra dòng ra của bộinverter là Iout=1,8(A).
3.2.1. Thiết kế mạch lọc LCL
Mô hình mạch điện tƣơng đƣơng của bộ lọc LCL đƣợc cho ở hình (3-4)(a) và mô hình tƣơng đƣơng đƣợc cho ở hình (3-4)(b).
Hình 3-4: mạch điện tƣơng đƣơng và mô hình bộ lọc LCL.
Trong đó V1 và V2 là hiệu điện thế tƣơng ứng bên phía inverter và phía lƣới. L1, R1
và L2, R2là cuộn cảm và điện trởtƣơng ứng của nó tƣơng ứng với phía inverter và phía lƣới. Một điện trở suy giảmđƣợc mắc nối tiếp với tụ Cf. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dựa vào mô hình tƣơng đƣơng của mạch lọc LCL cho bởi hình (3-4.b), ta có thểtính đƣợc hàm truyền của bộ lọc với tín hiệu phản hồi là dòng của bộ nghịch lƣu. Giả sử rằng điện trở R1, R2 của các cuộn dây đủ nhỏ và có thể bỏ qua đƣợc, hàm truyền thu đƣợc là :
(3.7)
Suy ra tần số cộng hƣởng là : (3.8)
Tần số cộng hƣởng này phải nằm trong khoảng: để tránh
hiện tƣợng cộng hƣởng [4],với ωo là tần số cơ bản và ωsw là tần số chuyển mạch hay tần số song mang trong điều biến độ rộng xung.
Giả sử rằng hệ thống có một hệ số công suất cố định và bộ nghịch lƣu sử dụng điều biến độrộng xung đơn cực. Các giá trị L1, L2và Cfđƣợc tính nhƣ sau:
a) Tính độ tự cảm của bộ lọc :
Độ tự cảm tổng của bộ lọc đƣợc tính theo độ gợn sóng tối đa của dòng điện trong một chu kỳ chuyển mạch Tstheo công thức sau [4]:
(3.9) Với : Vdc : điện áp 1 chiều trƣớc bộ inverter.
Irate : dòng điện định mức.
∆ripple : phần trăm độ gợn song tối đa của dòng theo biên độ (5%-25%). fs : tần số chuyển mạch.
ma : hệ sốđiều biến.
Độ tự cảm tổng cộng của bộ lọc đƣợc chia thành 2 phần L1 và L2. Mối quan hệ giữa chúng là :
L1 = aL2 (3.10)
Với a (a ≥ 1) là hệ số tự cảm có thểtính bằng phƣơng pháp sau[5] :
(3.11)
Với :
là một hằng số (3.12)
là một hằng số (3.13)
α: là hệ sốcông suất phảng kháng (< 5%).
Với tỷ lệ suy giảm dòng σ có thể chọn trong khoảng sau [5] :
(3.14) Với :
Ta tiến hành giải hệhai phƣơng trình (3.11) và (3.13) đểtìm ra a và r, bằng cách đặt :
, kết quảthu đƣợc là :
(3.15)
Có đƣợc giá trị của a ta suy ra đƣợc L1và L2.
b) Tính điện dung của bộ lọc:
Điện dung của bộ lọc đƣợc tính dựa công suất phản kháng mà bộ lọc hấp thụ, đƣợc biểu diễn theo công thức sau :
(3.16)
Với Qrelà công suất phảng kháng mà tụ lọc hấp thụ. Nếu tăng điện dung của bộ lọc thì công suất phản kháng chảy qua tụ cũng tăng, kéo theo dòng điện qua cuộn cảm và các khóa cũng tăng lên, vì vậy mà hiệu suất của hệ thống thấp. Nhƣng điện dung của tụ cũng không đƣợc quá thấp bởi vì độ tự cảm lớn làm cho điện áp rơi nhiều trên cuộn dây. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
c) Tính điện trở suy giảm
Bộ lọc LCL có thể bao gồm điện trở suy giảm để tránh hiện tƣợng cộng hƣởng, điện trở suy giảm R3 đƣợc tính bởi công thức sau :
(3.17)
Tính toán chọn bộ lọc
Yêu cầu thiết kế bộ lọc LCL cho bộ micro-invert có các thông số sau: - Công suất hiệu dụng Prated = 400W.
- Điện áp định mức Vrated = 220V. - Dòng điện định mức Irated = 1.8A. - Điện áp một chiều ngõ vào Vdc = 400V. - Tần số chuyển mạch fsw = 6 kHz.
- Hệ sốđiều biến ma = 0.8.
- Phần trăm độ gợn sóng tối đa của dòng ra ∆ripple = 5%. - Hệ số công suất phản kháng α = 4,5%.
Từcác thông sốtrên ta thực hiện tính toán các giá trị của bộ lọc theo từng bƣớc nhƣ trình bày ở trên. Giá trịcác linh kiện trong bộ lọc thu đƣợc nhƣ sau : L1 = 20.1 mH, L2
= 9.5 mH, Cf = 1.184 uF, R3 = 24.62 Ω.
Suy ra tần số cộng hƣởng ωres = 11809 (rad/s) hoặc fres= 1879 Hz. Đặc tính bode của bộ lọc thu đƣợc biểu diễn ởhình 3-5.
3.2.2. Thiết kế bộ nghịch lƣu
Bộ nghịch lƣu sử dụng ở đây là bộ nghịch lƣu cầu nhƣ hình (3-7), về nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lƣu đã đƣợc trình bày ở chƣơng trƣớc. Trong chƣơng này chúng ta thực hiện tính toán chọn các khóa điện tử cho bộ nghịch lƣu dựa trên các yêu cầu về công suất và điện áp đầu ra của bộ mivro-inverter.
Hình 3-7: Bộ nghịch lƣu cầu.
Để chọn đƣợc khóa điện tử ta cần tính đƣợc điện áp giữa 2 đầu khóa điện tử đó và dòng điện tối đa mà khóa điện tử phải chịu.
Khi khóa T1 và T4 mở thì 2 khóa T2 và T3 phải đóng khi đó hiệu điện thế giữa 2 đầu T2 và T3 chính là bằng hiệu điện thếđầu vào của bộinverter. Theo nhƣ trong phần tính toán cho bộ lọc thì hiệu điện thế này bằng 400V. Nhƣng đểtránh hiện tƣợng quá áp do bộtăng áp phía trƣớc bộ nghịch lƣu hoặc do tải có tính cảm kháng lớn, ta cần cộng then một lƣợng điện áp dự trữ. Ở đây chọn độ dự trữ là 25% vì vậy cần chọn khóa có hiệu điện thếđịnh mức là 500V.
Với dòng điện định mức qua tải là 1.8A (dựa vào yêu cầu công suất), suy ra dòng điện cao nhất qua các khóa khi khóa mở là . Ta cần tính thêm một lƣợng dự trữ dòng điện phòng khi cần thiết nên ta cần chọn khóa có thể chịu dòng tối đa là 4A. Tuy nhiên, ta cũng cần chú ý đến thị trƣờng cung cấp. Dựa vào các loại khóa điện tử có bán trên thị trƣờng tôi chọn loại MOSFET IRFP460 có VDSS = 500V, ID = 20A và điện trở giữa cực D và S ở trạng thái đóng là 0.85Ω.
3.2.3. Thiết kế bộ tăng áp một chiều
Với đặc điểm của tấm pin mặt trời là điện áp đầu ra không ổn định phụ thuộc nhiều vào cƣờng độ bức xạ và nhiệt độ. Vì vậy mà bộ tăng áp với mạch điện nhƣ hình 3-8 đƣợc sử dụng với mục đích tăng áp và ổn định điện áp một chiều ở đầu vào của bộ nghịch lƣu.
Hình 3-8 : Mô hình mạch điện bộ tăng áp một chiều.
Mạch điện gồm 4 linh kiện chính là cuộn dây, khóa điện tử, diode và tụ điện đầu ra. Trong phần này chúng ta chỉ đi sâu vào việc lựa chọn các linh kiện trên, còn nguyên lý làm việc của mạch đã đƣợc trình bày kỹ ở chƣơng 2. Yêu cầu làm việc của mạch tăng áp này là biến đổi điện áp đầu vào trong khoảng từ 16 đến 36 V thành điện áp đầu ra tối đa 400V. Để đơn giản ta sẽ tính toán các giá trị thông thƣờng của tấm pin mặt trời khoảng 30V và hoạt động ở chế độ dẫn liên tục.
a) Lựa chọn khóa điện tử
Phần tử chuyển mạch chính đƣợc lựa chọn để có thểlàm việc ởtrƣờng hợp xấu nhất tức là làm việc ở trƣờng hợp dòng áp lớn nhất. Khóa điện tử chịu điện áp lớn nhất khi nó ở chế độ khóa tức là hiệu điện thế2 đầu của khóa là điện áp đầu ra của bộtăng áp (400V), độ dự trữáp chọn 25% thì điện áp chịu đƣợc của khóa điện tửlà 500V.
Dòng lớn nhất của khóa điện tử phải chịu xảy ra khi pin mặt trời cung cấp công suất lớn nhất. Vì vậy dòng điện đỉnh đƣợc tính theo công thức sau [6] :
Ipeak = Ioutput + Iripple (3.18)
Pin,max : là công suất ra cực đại của tấm pin mặt trời, hoặc công suất vào cực đại của bộtăng áp.
∆ : là tỷ lệ phần trăm độ gợn sóng của dòng điện ra.
Với công suất đầu ra lớn nhất của bộ micro-inverter là 360W, hiệu suất lớn hơn 0.9 thì công suất đầu vào tối đa là 400W. Yêu cầu điện áp đầu vào của bộ micro-inverter nằm trong dãy từ 16-36 V, sau khi tham khảo một số tấm pin mặt trời trên thị trƣờng có dải điện áp hoạt động nhƣ trên thì điện áp đầu ra của tấm pin ứng với công suất đỉnh nằm trong khoảng 26-30V, ta chọn điện áp tính toán Vpv=30V. Tỷ lệ phần trăm độ gợn sóng của dòng điện đầu ra bằng 0.1%. Suy ra dòng điện lớn nhất mà khóa điện tử phải chịu là Ipeak = 13.3A.
Dựa trên các thông số trên ta chọn khóa điện tử dành cho bộ boost là loại MOSFET IRFB4321 của hãng International Rectifier với các thông số VDSS = 150V, ID = 83A và điện trởDS khi khóa là 0,21Ω.
b) Lựa chọn cuộn cảm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Một giá trị độ tự cảm lớn có xu thế tăng thời gian khởi động nhƣng không đáng kể, trong khi độ tự cảm nhỏ cho phép dòng của cuộn dây tăng lên cao hơn trƣớc khi khóa điện tử về chế độ ngắt. Cuộn cảm có lõi ferrite hoặc tƣơng đƣơng thƣờng đƣợc sử dụng. Độ tự cảm của mạch tăng áp đƣợc lựa chọn dựa vào dòng gợn sóng cho phép lớn nhất tại chu kỳ làm việc (D) với điện áp đầu vào lớn nhất. Với tần số chuyển mạch là fs và điện trở tƣơng đƣơng của tải là R thì giá trị độ tự cảm của mạch tăng áp một chiều đƣợc lựa chọn phải lớn hơn giá trị sau [6]:
(3.20)
Với công suất đầu ra nhỏ hơn 400W, điện áp đầu ra ổn định ở giá trị 400V thì điện trở tƣơng đƣơng R > 400Ω, để thuận lợi cho việc tính toán ta chọn R = 400Ω. Điện áp đầu vào của bộ boost là 30V, thì chu kỳ làm việc của khóa điện tử D=1- Vin/Vout=0.925.Tần số chuyển mạch đƣợc chọn ở đây là 100kHz, suy ra giá trị tự cảm của cuộn dây là Lc_min= 10.5 µH.
Ngoài giá trị vềđộ tự cảm, ta thì dòng điện tối đa qua cuộn dây cũng là một thông số quan trọng. Dòng điện lớn nhất chạy qua cuộn dây cũng bằng dòng điện đỉnh qua khóa điện tửvà bằng 13.3A.
c) Lựa chọn diode
Diode trong mạch tăng áp có chức năng ngăn dòng nghịch đảo từ ngõ ra chảy về cuộn dây. Diode dẫn khi khóa điện tử ở trạng thái mở, khi đó dòng từ cuộn dây chạy qua diode và đến ngõ ra của mạch. Cũng giống nhƣ lựa chọn khóa điện tử, việc lựa chọn diode cũng dựa vào dòng điện chảy qua diode trong quá trình hoạt động ở trƣờng hợp xấu nhất, tức là tại điểm điện áp đầu vào thấp nhất và dòng tải ngõ ra là lớn nhất. Bên cạnh đó, ta còn phải xem xét các yếu tố khác nhƣ điện áp ngƣợc mà diode có thể chịu ở trạng thái khóa, đặc tính chuyển mạch nhanh, điện áp rơi trên diode thấp.
Dòng chạy qua diode ở chếđộ dẫn cũng chính bằng dòng chạy qua cuộn dây và bằng 13.3A. Điện áp ngƣợc mà diode phải chịu là điện áp khi diode khóa tức là khóa điện tử dẫn, khi đó điện thế bên anot của diode bằng với diện thế của khóa điện tửvà coi nhƣ bằng 0 và điện thế bên phía catot của diode là điện thế ngõ ra của mạch bằng 400V. Vậy điện áp ngƣợc mà diode phải chịu bằng 400V, Độ dự trữđiện áp là 25% thì điện áp ngƣợc của diode là 500V.
d) Lựa chọn tụ
Tiêu chuẩn đầu tiên để lựa chọn tụ lọc ngõ ra của mạch là dung kháng của nó và điện trở nối tiếp tƣơng đƣơng. Vì điện trở nối tiếp tƣơng đƣơng của tụ hƣởng đến hiệu suất, điện trở nối tiếp tƣơng đƣơng thấp sẽtăng hiệu suất của mạch. Để giảm điện trở này ta có thể mắc song song tụ với nhau. Tụ lọc đầu ra có thểđƣợc chọn dựa vào yêu cầu về độ gợn sóng điện áp đầu ra, cũng nhƣ khả năng xử lý các yêu cầu về độ gợn sóng của dòng điện. Một biểu thức gần đúng đểxác định điện dung của tụđƣợc biểu diễn ở công thức (3.21)[6].
(3.21)
∆Vo là yêu cầu vềđiện áp gợn sóng, ta chọn 0.1V. Điện áp đầu ra Vo = 400V,chu kỳ làm việc 0.925 tƣơng ứng với điên áp đầu vào 30V, tần sốlàm việc 100kHz, điện trở tải tƣơng đƣơng R = 400Ω. Suy ra Cb ≥ 92.5 uF.