Phần mạch điều khiển của bộ micro-inverter có chức năng tạo ra các xung điện áp có biên độ và độ rộng thích hợp để đƣa vào các cực cổng của MOSFET. Có hai cách thiết kế bộđiều khiển phổ biến sau:
- Điều khiển bộ DC/DC converter sử dụng các IC điều khiển chuyển mạch nguồn xung chuyên dùng, ví dụ IC KA3225, phần DC/AC inverter đƣợc điều khiển mềm bởi vi điều khiển. Cách này gọi là cấu trúc kiểu điều khiển nửa cứng, nửa mềm (hard-soft based controller) và giảm đƣợc tải cho vi điều khiển, tuy nhiên khó điều chỉnh và ít thích ứng với sự biến đổi áp vào.
- Điều khiển bộ DC/DC converter và phần DC/AC inverter đƣợc điều khiển mềm bởi vi điều khiển. Cách này gọi là cấu trúc kiểu điều khiển hoàn toàn mềm (full- soft based controller), cho phép dễ dàng phát triển, mềm dẻo, chuẩn hóa nhƣng yêu cấu vi điều khiển có khảnăng tính toán mạnh.
Sơ đồ khối của hệ thống đƣợc biểu diễn ở hình 4-1 theo kiểu cấu trúc điều khiển mềm hòa toàn. Nếu theo kiểu cấu trúc cứng-mềm thì phần điều khiển cho bộ biến đổi DC/DC do IC điều khiển chuyển mạch xung đảm nhận. Tấm PV có thể kết nối gián tiếp vào acqui thông qua bộ charge để thích ứng với các ứng dụng hiện nay không có nhu cầu kết nối lƣới.
Trong đề tài này đã tiến hành thực hiện cả hai phƣơng án trên nhằm so sánh và đánh giá.
4.2. Thiết kế tổng quan hệ thống
Do đềtài đƣợc chia làm 2 giai đoạn thực hiện theo từng năm, nên nội dung công việc thiết kế và chế tạo cũng phân bổ theo từng giai đoạn. Sơ đồ hệ thống tổng thểđƣợc mô tả nhƣ hình 4.0 sau.
Hình 4.0. Hệ thống micro-inverter chuyến đổi pin mặt trời kết nối lƣới và nối mạng Trong hệ thống trên, phần thiết kế, chế tạo, thử nghiệm các bộ solar-inverter theo các chỉ tiêu kỹ thuật đã đăng ký đƣợc thực hiện trong giai đoạn 1 của đề tài (năm 2013), phần còn lại bao gồm tối ƣu và hoàn thiện thiết kế, đánh giá và tối ƣu thuật toán MPPT, hòa đồng bộ, hòa lƣới, quản lý nguồn và truyền thông đƣợc thực hiện trong giai đoạn 2 (năm 2014).
Trên cơ sởtrên,ta có sơ đồ khối thiết kế bộ solar microinverter tổng thểnhƣ hình 4.1.
Bộ quản lý
trung tâm Giám sát từ xa
Web-browser
LAN/Internet
Hình 4-1: Sơ đồ khối tổng thể bộ micro-inverter.
4.3. Thiết kế chi tiết các khối
4.3.1. Vi điều khiển
Bởi vì hệ thống bao gồm các khối mạch điện tử công suất nhƣ tăng áp một chiều và nghịch lƣu với các thuật toán điều khiển phức tạp, nên một bộ vi điều khiển có khả năng xử lý nhanh cũng nhƣ hỗ trợ tốt cho các ứng dụng điện tử công suất đƣợc cân nhắc sử dụng. dsPIC33FJ16GS504 là một loại vi điều khiển nhƣ vậy, nó thuộc dòng vi điều khiển hỗ trợ nhiều cho điện tử công suất của microchip, hình 4-2 biểu diễn sơ đồ các chân chức năng của dsPIC33FJ16GS504
IAC DC DC DC AC LCL FILTER PV Đo dòng áp PV Đo áp/dòng DC Đo dòng áp AC IPV VPV Vboost IAC VAC_I VAC_G ADC PWM MOSFET
Driver MOSFET Driver
Co m m un ica tio n RS-485 MCU Grid VAC_I Wireless/PLC Power supply VPV IPV Vboost VAC_G
Hình 4-2 Biểu diễn sơ đồ chân của dsPIC33FJ16GS504
dsPIC33FJ16GS504 đƣợc sử dụng nhiều trong các ứng dụng điện tử công suất nhờ các đặc tính nổi bật nhƣ sau:
- Vi xử lý trung tâm 16 bit cho tốc độ tính toán cao, đồng thời hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình thông dụng nhƣ C và Assembly.
- 2 KB bộ nhớRAM và 16 KB bộ nhớchƣơng trình. - Điều biến độ rộng xung tốc độ cao:
o 4 cặp PWM độc lập.
o PWM hỗ trợ điều khiển chuyển mạch cho DC/DC, AC/DC, nghịch lƣu, PFC và chiếu sáng.
- 12 kênh ADC với độphân giải 10 bit. - 4 bộso sánh tín hiệu tƣơng tự tốc độ cao.
- 3 bộđịnh thời 16 bit và 1 bộ32 bit có thể hoạt động ở 2 chếđộđịnh thời và đếm. - Hỗ trợ các chuẩn giao tiếp UART (12.5 Mbps), SPI, I2C.
- Khi sử dụng kiểu điều khiển cứng cho DC/DC converter, ta có thể chọn Vi điều khiển kiểu thấp hơn. HọPIC16C716 là lựa chọn tốt cho kiểu thiết kếtrong trƣờng hợp này.
4.3.2. Mạch đo dòng và áp
Bộ micro-inverter có điện áp và dòng điện ngõ vào luôn thay đổi tùy thuộc vào yêu cầu của tải đầu ra và cƣờng độ bức xạánh sáng lên tấm pin mặt trời cũng nhƣ nhiệt độ của tấm pin. Vì vậy, bộ micro-inverter phải là một hệ thống kín để điều khiển điện áp ngõ ra luôn ổn định.Tín hiệu phản hồi của hệ thống này là điện áp và cƣờng độ dòng điện đầu vào, điện áp sau bộtăng áp, điện áp và dòng điện ngõ ra và điện áp lƣới (phục vụ cho chức năng nối lƣới). Hiện nay có rất nhiều giải pháp để đo các tín hiệu trên, tuy nhiên đây là một dự án thƣơng mại nên yếu tố giá thành cũng đƣợc cân nhắc tới. Vì vậy mà trong đồán này các mạch đo đều đƣợc thiết kế dựa trên nguyên tắc khuếch đại vi sai dùng khuếch đại thuật toán.
-Khuếch đại thuật toán MCP6022: Khuếch đại thuật toán này đƣợc sản xuất bởi hãng microchip. Là loại khuếch đại thuận toán có phạm vi hoạt động rộng trong khoảng từ VSS đến VDD với hiệu suất cao. Nó đƣợc sử dụng nhiều trong các lĩnh vực tự động hóa, chuyển đổi A/D, xử lý âm thanh, thiết bị y tế… nhờ các ƣu điểm sau:
Băng thông hoạt động rộng lên đến 10MHz. Nhiễu thấp.
Điện áp trôi thấp, tối đa ±500µV trong môi trƣờng công nghiệp và ±250µV trong điều kiện thƣờng.
Tổng méo hài thấp.
Nguồn cung cấp thấp 2.5-5.5V
Nhiệt độ hoạt động rộng -40oC - +85oC trong môi trƣờng công nghiệp và từ -40oC- +125oC trong điều kiện thƣờng.
Hình 4-3 : Sơ đồ chân MCP6022. -Mạch đo điện áp:
Điện áp cần đo ở gồm có cả điện áp một chiều và xoay chiều
- Điện áp một chiều gồm điện áp đầu vào bộ micro-inverter và điện áp đầu ra của khâu tăng áp.
- Điện áp xoay chiều bao gồm điện áp đầu ra của bộ micro-inverter và điện áp lƣới.
a) Mạch đo điện áp một chiều:
Đểđo điện áp một chiều thì cách đơn giản và hiệu quả nhất là sử dụng mạch chiết áp nhƣ hình ,với mục đích đƣa giá trị điện áp cần đo về mức thấp hơn nằm trong tầm đo của ADC của vi điều khiển (0-3.3V). Hình 4-4 biểu diễn mạch đo áp một chiều trong bộ micro-inverter. C25 0.1u C28 0.1u D11DIODE Vpv D12 DIODE R59 1k GND P3.3V R54 47k R55 3.3k PV+
Hình 4-4: Mạch đo điện áp một chiều.
(4.1)
Tùy khoảng điện áp cần đo mà ta chọn các điện trở R55 và R54 để nhận đƣợc tỉ lệ chia áp phù hợp theo công thức 4.1 .Với điện áp đầu vào bộ micro-inverter là 0÷50V thì R55=3.3kΩ, R54=47kΩ; điện áp đầu ra của khâu tăng áp là 0÷500V thì R55=3.3kΩ,
Các tụ C25và C28đƣợc sử dụng để lọc nhiễu, các diode D11 và D12 có chức năng bảo vệchân ADC của vi điều khiển khi Vout là âm hoặc vƣợt quá 3.3V.
b) Mạch đo điện áp xoay chiều:
Điện áp đầu ra của bộ micro-inverter và điện áp lƣới là điện áp xoay chiều tựnhiên, có phần điện áp âm nên không thể sử dụng mạch chia áp làm mạch đo bởi vì module ADC của vi điều khiển chỉ đo đƣợc trong khoảng 0÷3.3V. Điện áp xoay chiều đƣợc thu nhỏvà đƣợc cộng thêm một lƣợng điện áp dịch bởi mạch khuếch đại vi sai nhƣ hình 4- 5. C20 0.1u D3 DIODE D4 DIODE R21 470k Vac_I R23 470k R24 4.7k R25 4.7k R26 700 R27 3.3k GND P3.3V Vac_I+ Vac_I- Vref 1 P5V GND R71 470k R72 470k - + U6A MCP6022 3 2 1 8 4
Hình 4-5 : Mạch đo điện áp xoay chiều.
Với R1=R21+R71=R23+R72 và R2=R24=R25 thì điện áp đầu ra bộ khuếch đại thuật toán của mạch trên đƣợc cho bởi công thức 4.
(4.2)
Với Vref = 2V, và tỉ lệ R1, R2 nhƣ trên hình thì điện áp đo đƣợc nằm trong khoảng ±400V, và điện áp đầu ra op-amp nằm trong khoảng 0÷4V. Vì vậy ta cần thêm mạch phân áp để đƣa về khoảng 0÷3.3V. Tƣơng tự mạch đo áp một chiều thì tụ C20trên hình dùng để lọc nhiễu và các diode có chức năng bảo vệ.
c) Mạch đo dòng điện
Mạch đo dòng có khả năng phát hiện và chuyển đổi dòng điện sang dạng tín hiệu điện áp để bộ ADC của vi điều khiển có thể đọc đƣợc. Có rất nhiều loại cảm biến có thểlàm đƣợc điều này bằng các cơ chếkhác nhau và mỗi loại chỉ phù hợp với một dãy đo và điều kiện môi trƣờng riêng, không có loại nào là tối ƣu cho tất cả các ứng dụng.
Trong thực tế, cơ chếđo dòng bằng điện trở đƣợc sử dụng rộng rãi. Theo cơ chế này dòng điện đƣợc chuyển sang tín hiệu điện áp bằng cách thêm một điện trở shunt (Rsh)
giá trị rất nhỏvào đƣờng đi của dòng điện, sẽcó một lƣợng điện áp rơi trên điện trở đó theo tỉ lệ V=Rsh.I. Giá trịnày rất nhỏnên sẽ đƣợc phóng đại lên đểcho các bộADC có thể đo đƣợc. Trong đồ án này, tôi đã xem xét sử dụng mạch đo dòng theo cơ chế điện trở shunt nhờcác ƣu điểm sau :
o Giá thành thấp.
o Độ chính xác cao.
o Có khảnăng đo đƣợc các dòng thấp vàtrung bình.
o Có khảnăng đo đƣợc cảdòng một chiều và xoay chiều.
Tuy nhiên nó cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ làm tăng trở kháng đầu ra của nguồn và mất mát công suất trên điện trở vì vậy chúng ta cần chọn giá trị điện trở shunt (Rsh) phải rất nhỏ để hạn chế các nhƣợc điểm trên. Trong mạch thực tế tôi chọn phƣơng án mắc nhiều điện trở song song nhƣ hình 4- nhằm giảm giá trị điện trở Rsh và tăng công suất của trởđểcó thểđo đƣợc dòng lớn. P5V - + U8B MCP6022 5 6 7 8 4 Ipv - GND R22 3k Ipv + R46 3k R47 2M C23 0.1u D7 DIODE D8 DIODE Ipv R51 1k GND P3.3V R50 2M R61 0.1/2W R62 0.1/2W R63 0.1/2W R64 0.1/2W GND Hình 4-6: Mạch đo dòng.
Ta dùng mạch khuếch đại vi sai bằng khuếch đại thuật toán nhƣ hình 4-6 để khuếch đại tín hiệu điện áp rơi trên điện trở Rsh, để đƣa vào chân ADC của vi điều khiển. Với R50=R47và R22=R46nên hệ số khuếch đại ởđây là G=R50/R22=R47/R46.
Đối với mạch đo dòng một chiều vào bộ micro-inverter thì dòng vào tối đa là khoảng 20A thì điện áp lớn nhất rơi trên Rsh là V=Rsh.I, với giá trị Rsh nhƣ trên hình thì V=5mV, vì vậy hệ số khuếch đại dành cho mạch này là G=3.3/0.005=660 lần. Từ hệ số khuếch đại này ta chọn đƣợc các giá trị trở của bộ khuếch đại cho phù hợp.
Tƣơng tự đối với mạch đo dòng điện xoay chiều, nhƣng do là dòng điện xoay chiều nên có phần âm vì vậy ta cần công thêm một lƣợng điện áp tham chiếu Vref để tín hiệu
4.3.3. Mạch đo tần số
Với yêu cầu đồng bộ với lƣới điện nên đầu ra của bộ micro-inverter phải cùng pha cùng tần số và cùng biên độ với điện áp lƣới, vì vậy chúng ta cần phải xác định chính xác tần số của điện áp lƣới. Chức năng của mạch này là tạo ra xung vuông mỗi khi điện áp thay đổi trạng thái từ âm sang dƣơng.
Điện áp lƣới với biên độ lớn đƣợc thu nhỏ và cộng thêm một điện áp tham chiếu bằng bộ khuếch đại vi sai U7A, sau đó tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại đƣợc so sánh với điện áp tham chiếu bằng bộ so sánh U7B, tín hiệu đầu ra của bộ so sánh đƣợc dùng để điều khiển transistor Q1 nhƣ hình 4-7 .Ngoài ra, để tránh lỗi kích phát ở bộso sánh thì một dãy tạo trễ khoảng 10mV đƣợc thêm vào nhờcác điện trở R40, R41và C30.
Hình 4-7: mạch phát hiện chuyển trạng thái.
4.3.4. Mosfet driver
Mosfet ở trạng thái dẫn khi mosfet phân cực thuận và điện áp trên cực cổng của mosfet UGS đủ lớn, giá trị UGS càng lớn thì điện trở giữa hai cực D và S của mosfet càng nhỏ. Giá trị UGS cần để mở một mosfet là khác nhau với từng loại, nhƣng giá trị này thƣờng dao động trong khoảng từ 10-20V. Tuy nhiên, điện áp đầu ra của chân PWM của vi điều khiển chỉ bằng 3.3V nên không thể mở đƣợc mosfet. Chúng ta có thể dùng transistor hoặc opto để khuếch đại tín hiệu PWM của vi điều khiển, nhƣng nếu dùng phƣơng pháp này thì độ trễ tín hiệu điều khiển là rất lớn và không thể cách ly đƣợc giữa mạch điều khiển và mạch lực nếu dùng transistor. Vì vậy mà một IC mosfet driver đƣợc lựa chọn, IC mosfet driver có chức năng khuếch đại tín hiệu điều khiển với độ trễtín hiêu không đáng kểvà cách ly mạch lực. IC mosfet driver đƣợc chọn ởđây là IR2113 do hãng International Rectifier sản xuất, sơ đồchân IR2113 nhƣ hình 4-8.
Hình 4-8 : sơ đồ chân IC IR2113.
IR2113 là IC điều khiển mosfet và IGBT công suất có điện áp cao và tốc độ cao, với 2 kênh ngõ ra ởphía điện áp cao và thấp độc lập. Điện áp logic ngõ vào tƣơng thích với công nghệ tiết kiệm điện năng CMOS, tức là tƣơng thích với mức điện áp 3.3V của vi điều khiển dsPIC33FJ16GS504. Ngõ ra IR2113 có dòng xung cao và thời gian trễ so với tín hiệu ngõ vào thấp (ton/off = 120 và 94 ns). Các kênh thả nổi có thể dùng để điều khiển các N-Mosfet công suất và IGBT ởphía điện áp cao đến 600V.Hình 4-9 là sơ đồ mạch mosfet driver với IC IR2113.
GND D16 DIODE R78 10 R79 10 R80 1k PWM2H Vb1 R81 1k PWM2L C30 10u P12V T2 U10 IR2113 LO 1 HO 7 HIN 10 SHDN 11 LIN 12 VSS 13 COM 2 VB 6 VCC 3 VDD 9 VS 5 T1 C42 10u C31 10u P3.3V Vs1 Vb1
Hình 4-9: Mạch điều khiển MOSFET.
Các đƣờng dây PWM2H và PWM2L là đƣờng nối đến các chân PWM của vi điều khiển, VS là chân thả nổi trả về nguồn ở phía điện áp cao và đƣợc nối với cực S của mosfet ở phía cao trong mạch cầu H. Ngoài ra chần VDD là chân nguồn logic, tức là điện áp tham chiếu để xác định mức logic cao, ở đây tôi nối vào nguồn 3.3V vì mức logic cao của chân PWM là 3.3V.
4.3.5. Mạch nguồn
Mạch nguồn có chức năng cung cấp điện áp ổn định cho các hoạt động của mạch điều khiển.Nguồn cung cấp cho mạch đƣợc lấy từ tấm pin mặt trời nên điện áp dao động tùy thuộc vào các điều kiện ánh sáng và nhiệt độ.
o Điện áp đầu vào 16÷45V.
o Điện áp đầu ra 5V và 3.3V
a) Mạch nguồn 5V
Bởi vì điện áp đầu vào nằm trong một khoản rộng nên để tránh mất mát năng lƣợng thì một bộ chuyển đổi DC/DC đƣợc sử dụng, cụ thểởđây là bộ chuyển đổi buck đƣợc tích hợp vào IC LM2576. Hình 4-10 biểu diễn sơ đồ khối bên trong LM2576HV-ADJ.
Hình 4-10: Sơ đồ khối bên trong LM2576HV-ADJ.
Từsơ đồtrên ta thấy rằng IC này thực chất là mạch tích hợp một transistor công suất và mạch điều khiển nó. Ta dùng IC này để thực hiện bộ chuyển đổi DC buck nhƣ hình 4-11.
Hình 4-11 Sơ đồ kết nối LM2576HV-ADJ
Với các giá trịcác linh kiện đƣợc khi nhƣ trên hình 4-11, thì điện áp đầu ra của mạch đƣợc cho bởi công thức sau :
Mạch nguồn 3.3V
Tƣơng tự nhƣ mạch nguồn 5V thì mạch nguồn 3.3V cũng dùng IC ổn áp tuyến tính, cụ thể là IC LM1117-3.3V. IC này có điện áp đầu vào nhỏ hơn 7V nên nguồn cung cấp