sin. Ví dụ: công tắc lẻ đ ợc kích khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur> up). Trong tr ng hợp ng ợc lại công tắc chẵn đ ợc kích đóng.
Sóng mang up có thể dạng tam giác. Tần số sóng mang càng cao, l ợng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện còn có th i gian đóng ton và th i gian ngắt toff nhất định. Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang.
Sóng điều khiển ur mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản c a điện áp ngõ ra. Trong tr ng hợp bộ nghịch l u áp ba pha phải đ ợc tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ c a nó. Trong tr ng hợp bộ nghịch l u áp một pha, ta cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha nhau nửa chu kỳ (t c chúng ng ợc pha nhau). Để đơn giản mạch kích hơn nữa, ta có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để kích đóng, ví dụ: cặp công tắc (S1S4) đ ợc kích đóng theo quan hệ giữa sóng điều khiển và sóng mang, còn cặp (S2S3) đ ợc kích đóng ng ợc lại với chúng. Lúc đó hình thành trạng thái kích đóng (S1S2) hoặc (S3S4).
Gọi mf
là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio):
carrier f reference f m f (3.34) Việc tăng giá trị mf
sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện. Điểm bất lợi c a việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt lớn và giá trị này cũng bị giới hạn b i tốc độ đóng cắt c a IGBT (IGBT có một thông số quang trọng đó là th i gian chết Td, nếu IGBT chuyển mạch onoff on hoặc
off on
Trang 43
không xuất hiện chuyển mạch). T ơng tự, gọi là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio)μ khi sóng điều khiển dạng sin (Vdk) và sóng mang tam giác (Vt).
dk a t V m V (3.35)
Nếu Vdk Vt (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa thành phần cơ bản c a áp ra và áp điều khiển là tuyến tính. Trong nghiên c u này, chúng ta chỉx́t đến tr ng hợp điều khiển tuyến tính Vdk Vt
. Đối với bộ nghịch l u áp một pha: a dc Em V (3.36) Đối với bộ nghịch l u áp ba phaμ 2 dc a V E m (3.37)
Trang 44
Hình 3.19: Giản đồ xung kích bộ nghịch l u một pha bằng ph ơng pháp SPWM.
Nh hình 3.19 cho thấy hai sóng điều khiển sin lệch nhau 1800, tần số và góc pha ban đầu c a hai sóng quyết định tần số và góc pha c a điện áp ngõ ra E. Tần số sóng mang Vt sẽ quyết định độ rộng xung cũng nh sóng hài điện áp ngõ ra.
Theo công th c (3.7) và (3.8) độ lớn c a hai sóng mang và sóng điều khiển sẽ phụ thuộc trực tiếp đến điện áp ngõ ra E.
Tr ng hợp khi tần số sóng mang fc c a sóng mang càng cao thì độ rộng xung càng nhỏ dẫn đến điện áp và dòng điện trên tải càng giống hình sin.
Ta có : dk dc t V E ma V V
Trang 45
Hình 3. 20 Giản đồ dòng và áp ngõ ra nghịch l u dùng ph ơng pháp SPWM Nếu ta luôn giữ đ ợc giá trị Vdc Vt thì điện áp ngõ ra sẽ bằng với điện áp điều khiển: EVdk. Hay nói cách khác là khi có sự thay đổi điện áp Vdc thì ta sẽ điều chỉnh giá trị Vt hay nếu Vdc Vt thì điện áp ngõ ra c a bộ nghịch l u không phụ thuộc vào sự thay đổi điện áp c a nguồn mô ̣t chiêu mà nó ch ỉ phụ thuộc (bằng với) điện áp điều khiển Vdk.
Tuy nhiên, bô ̣ nghi ̣ch l u đ ợc khảo sat va ho ạt động trong vung điêu chê tuyên tính, nghĩa là Vdk<Vdc. Nên ta không thể ta ̣o ra mô ̣t điê ̣n ap xoay chiêu co gia tri ̣ đỉnh lơn hơn gia tri ̣ điê ̣n ap một chiêu ngõ vao.
3.4.3 Ph ng phap điêu khiển bô ̣ nghi ̣ch l u nguôn dong
Có nhiều ph ơngpháp khác nhau để điều khiển các bộ nghịch l u nguồn áp . Tuy nhiên ph ơng phap điêu khiển nguôn dòng phổ biên nhât hiê ̣n nay la ph ơng phap hysteresis (ph ơng phap bang bang). X́t mạch điện đ ợc kết nối nh hình 3.21.
Trang 46
Hình 3.21:Sơ đô kêt nôi đơn giản của bộ nghi ̣ch l u ba pha
X́t dạng sóng dòng điện tại một chân c a bộ nghịch l u , giả sử tại chân a . Tại thơi điểm khoa S1 đong va S4 mở, lúc này dòng điện Ia tăng lên , lúc này, điê ̣n ap tại a sẽ là +Vdc, làm cho dòng điện Ia trên ma ̣ch tăng lên. Khi Ia v ợt qua gia tri ̣ Ia
mong muôn thi khoa S1 mở va S4 đóng, lúc này điện thế tại điểm a sẽ bằng không , khi đo dong điê ̣n Ia trên ma ̣ch sẽ giảm dân. Khi dong điê ̣n Ia giảm xuống d ới giá trị Ia thì sẽ có sự chuyển mạch xảy ra: Khóa S1 đong la ̣i va S4 mở ra, lúc này dòng điê ̣n Ia sẽ tăng tr lại. Nh vâ ̣y qua trinh thay đổi dong điê ̣n la ̣i tiêp tục va dong điê ̣n bơm ra t bô ̣ nghi ̣ch l u sẽ bam theo dong điê ̣n hinh sine mong muôn . Hình 3.21 minh ho ̣a cho giải thuâ ̣t điêu khiển bang bang ta ̣i mỗi că ̣p chân của mỗi pha trong bô ̣ nghi ̣c l u . Hình 3.21 biễu diễn da ̣ng song dong điê ̣n mong muôn Ia và dạng sóng dòng điện bơm ra từ bộ nghịch l u trong một bán kì d ơng . Tại bán kì âm thi qua trình cũng diễn ra t ơng tự nh bán kì d ơng.
Trong ph ơng pháp bang bang, dòng điện thực tế sẽ dao động quanh dòng điện mong muốn một khoảng HBcho tr ớc. Ng i ta gọi đây chính là bandwidth (băng thông) trong ph ơng pháp bang bang. Nh vậy, giá trị HB này có ảnh h ng rất quang trọng đến độ nhiễu hài bậc cao cho dòng điện ngõ ra. Nếu giá trị HB này lớn thì sẽ càng làm tăng thêm tổng độ méo dạng sóng hài bậc cao. Còn ng ợc lại, nếu giá trị HB nhỏ thì sẽ làm tăng số lần chuyển mạch trong một đơn vị th i gian, từđó
Trang 47
làm tăng tổn hao chuyển mạch trong các linh kiện bán dẫn, đây cũng là nhân tố làm giảm hiệu suất c a bộ nghịch l u.
Hình 3. 22:Dạng sóng dòng điện trong ph ơng pháp bang bang trên một pha
* a I a I I S1 4 S
Hình 3. 23:Giải thuật điều khiển bang bang trên một nhánh c a bộ nghịch l u Để làm giảm nh ợc điểm này c a ph ơng pháp bang bang, một đề xuất đ ợc đ a ra đó là gắn thêm vào ngay sau ngõ vào sai số dòng điện một bộ điều chỉnh dòng điện PI. Ph ơng pháp đề xuất đ ợc thể hiện trong hình bên d ới, ph ơng pháp này đem lại kết quả rất khả quan, nó đư cải thiện đáng kể tổng độ méo dạng sóng hài ngõ ra.
Trang 48 * a I a I I S1 4 S PI
Hình 3. 24 Giải thuật điều khiển bang bang cải tiến
Nh vâ ̣y, ph ơng phap bang bang la ph ơng phap điêu khiển dong điê ̣n vơi cac thông sô điêu khiển chinh la gia tri ̣ dong điê ̣n mong muôn bơm vao đă ̣t tr ơc Ia và giá trị dòng điện thực tế bơm vào l ơi điê ̣n Ia. Quá trình điều khiển chuyển mạch bán dẫn phụ thuộc vào sai số c a hai giá trị này.
Qua viê ̣c khảo sat nguy ên tăc điêu khiển của ph ơng phap bang bang ta co thể rút ra đ ợc nhận x́t về u và nh ợc điểm c a ph ơng pháp này nh sau:
u điểm:
- Khả năng đáp ng động rất tốt : ph ơng phap nay đong mở cac chuyển ma ̣ch công suât d ̣a trê n s ̣ thay đổi của gia tri ̣ dong điê ̣n đ a ra t bộ nghi ̣ch l u , giá trị dòng điện này thay đổi rất nhanh . Điêu nay dẫn đên viê ̣c thay đổi gia dòng điện muốn bơm vào l ới cũng có thể thay đổi rất nhanh mà dòng điện bơm ra t bô ̣ nghi ̣ch l u vẫn bam theo rât nhanh.
- Giá thành thực hiện thấp và thuận tiện trong việc thi công mạch : mạch điện hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh hai giá trị dòng điện nên giải thuật điều khiển kha đơn giản, không yêu câu cac thuâ ̣t toan ph c ta ̣p nên chi phi cho bô ̣ điêu khiển kha thâp so vơi cac ph ơng phap khac . Hơn n ̃a trong ma ̣ch chỉ cân mô ̣t cảm biên dong điê ̣n để đo điê ̣n ap ngõ ra bộ nghi ̣ch l u va một cảm biên điê ̣n ap để xac đi ̣n h điê ̣n ap l ơi điê ̣n t đo xac đi ̣nh công suât bơm ra t bô ̣ nghi ̣ch l u nên chi phi cho cac thiêt bi ̣ cảm biên sẽ giảm đi rât nhiêu . Điêu này góp phần giảm giá thành sản xuất . Viê ̣c giải thuâ ̣t điêu khiển đơn giản cũng góp phân lam cho viê ̣c thi công thêm thuâ ̣n tiê ̣n.
Trang 49
Bên ca ̣nh các u điểm thi ph ơng pháp bang bang cũng tôn tai nh ̃ng nh ợc điểm nh sau:
- Trong tra ̣ng thai ổn đi ̣nh dong điê ̣n sẽ bi ̣ nhâp nho kha lơn , viê ̣c lam giảm s ̣ nhâp nhô phụ thuô ̣c vao tôc đô ̣ đong căt của cac linh kiê ̣n ban dẫn cũng nh khả năng xử lí c a bộ điều khiển. Vì vậy, khi co yêu câu vê đô ̣ nhâp nhô cang thâp thi ta phải tôn nhiêu chi phi hơn cho cac bộ chuyển ma ̣ch công suât có tốc đô ̣ đong ngăt nhanh
- Chu ki đong căt của cac chuyển ma ̣ch sẽ thay đổi liên tục phụ thuộc vao sai sô gi ̃a hai tin hiê ̣u dong điê ̣n điêu khiển, hâu nh không thể can thiê ̣p t cac gia trị điều khiển bên ngoài . Điêu nay dẫn đên viê ̣c ta không thể xac đi ̣nh chinh xác hao tổn khi đóng cắt các chuyển mạch công suất . Làm giảm khả năng dự đoan hiê ̣u suât chuyển đổi năng l ợng t nguôn mô ̣t chiêu sang xoay chiêu của thiêt bi ̣.
- S ̣ đong căt gi ̃a c ác pha trong các bộ nghịch l u ba pha là hoàn toàn độc lập vơi nhau gi ̃a cac pha do no chỉ d ̣a trên gia tri ̣ dong điê ̣n trên mỗi pha để tac đô ̣ng cho bản thân chinh pha đo ma không chi ̣u tac động hay tac động đên cac pha khac. Điêu nay sẽ lam cho viê ̣c liên kêt nhiêu bộ nghi ̣ch l u hay ghep nôi lại với nhau sẽ thêm khó khăn.
- Ph ơng phap điêu khiển nay sẽ lam xuât hiê ̣n cac nhiễu hai bâ ̣c cao cho dong điê ̣n đ a ra t bô ̣ nghi ̣ch l u.
- Trong vân đê điêu khiển bô ̣ nghi ̣ch l u co s ̉ dụng đên cac bộ PID , hiê ̣n cho đến nay vẫn ch a có một ph ơng trình nào để tính chính xác các giá trị Ki ,Kp c a các bộ điều chỉnh này . Hiê ̣n nay, chỉ có một số ph ơng pháp gần đúng trong việc xác định các hệ số điều khiển trong bộ điều chỉnh. Do đo, trong qua trình thiết kế sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc xác định các thông số cho bộ điêu chỉnh.
Trang 50
3.5 Pin l u trữnăng l ng
Luận văn này có mô tả tr ng hợp vận hành c a microgrid có xét đến thiết bị l u trữ năng l ợng t c th i (battery), việc sử dụng c a thiết bị l u trữ năng l ợng trong luận văn sau có mục tiêu là để pin l u trữ năng l ợng này góp phần cân bằng l ợng công suất thiếu hụt giữa tải và nguồn điện c a microgrid, trong tr ng hợp máy phát điện gió và hệ thống pin năng l ợng mặt tr i không đ cung cấp một l ợng công suất điện cần thiết cho tải khi cả hai nguồn phát này hoạt động độc lập đối với l ới điện.
Có một số loại pin l u trữ năng l ợng khác nhau có trên thị tr ng nh μ - Pin axít chì.
- Pin Niken-Cadmi (NiCd)
- Pin Niken-Hidrua kim loại (NiMh) - Pin Lithium-ion (Li-Ion)
- Pin Lithium polime (Li-polymer) - Pin Sodium-sulfur
- Pin Sodium-niken - Pin dòng
Hiện nay pin lithium-ion đang đạt đ ợc những b ớc phát triển đáng h a hẹn, chúng đạt đ ợc điện áp 3.3V trên mỗi cell, nh ng nh ợc điểm là chu kỳ nạp xả không đồng nhất, do đó mà mỗi cell c a pin đều cần đ ợc điều khiển (điện áp, dòng điện…) riêng biệt để tránh quá nhiệt và phát nổ c a pin.
Trong thực tế, pin axít chì vẫn đ ợc ng nhiều, đặc biệt trong các ng dụng UPS dự phòng c a các hệ thống viễn thông, b i vì tính ổn định nhiệt, công suất riêng cự đại trên mỗi đơn vị khối l ợng cao, và tính dễ sử dụng c a nó. Chính vì vậy, luận văn này sẽ chỉ x́t đến việc sử dụng pin axít chì trong hệ thống mô phỏng đư x́t đến
Trang 51
3.5.1 Nguyên lý ho t đ ng c a pin axít chì:
Pin axít chì hoạt động khác một chút so với một số pin hoạt động dựa trên chuỗi điện áp mà dựa trên sự phân cực c a các điện tích d ơng và âm. Hai bản chì đ ợc đặt dung dịch axít sulfuric (H2SO4) và mỗi bản đ ợc bao ph b i một lớp PbSO4. Suốt quá trình sạc, Pb bao bọc chì hình thành nên điện cực âm (cathode) và trên cực d ơng (anode) PbO2đ ợc kết t a, xem hình 3.λ. Nh vậy, các qua trình hóa học sau diễn raμ
Trên Cathode: PbSO4 + H2 Pb + H2SO4;
Trên cực d ơng Anodeμ PbSO4 + SO4 + 2H2O PbO2 + 2H2SO4;
Suốt quá trình xả, các electron chạy từ cathode đến anode (hay dòng điện chạy từ anode đến cathode) cho đến khi quá trình hóa học trên đưo nghịch và PbSO4 hình thành trên cathode và anodeμ điện áp qua hai bản chì là e0 = 2.02V. Nếu 6 bộ bản chì đ ợc kết nối nối tiếp nhau thì điện áp tổng đầu cực sẽ là E0 = e0 = 12.12V; Cực d ơng (anode) đ ợc bao ph PbO2 bị suy giảm qua các quá trình xả điện. Hiệu suất năng l ợng c a pin axít chì (B) nh vậy có thể phục hồi B = 83% - 90% l ợng năng l ợng khi xạc.
Hình 3.25:Cấu hình một pin axít chì (đư nạp đầy) đang xả điện
Mạch điện t ơng đ ơng c a pin axít chì cho các chế độ hoạt động tĩnh và động, t ơng đ ơng với các dòng điện nạp và xả c a pin đ ợc mô tả hình 3.26.
Trang 52
Hình 3.26:Mạch t ơng đ ơng c a pin Trong đóμ
Rdischarge: điện tr tự phóng điện (tầm kΩ) CB: điện dung điện hóa c a các cell pin
E0: điện áp h mạch c a các cell pin đư xả hoàn toàn (có nghĩa là Cb và CBđư xả)
Rseries: điện tr nối tiếp phi tuyến (1-0.05Ω) Cb: điện dung phi tuyến
Vboc(t): điện áp h mạch c a các cell pin VBover(t): điện áp các cell pin
VB(t): điện áp đầu cực pin iB(t): dòng điện đầu cực pin idischarge(t): dòng xạc pin.
3.5.2 Quá trình n p và x c a pin axít-chì vƠ ph ng tr̀nh tính toán:
Trang 53
Hình 3.27: Ph ơng trình điện áp nạp và xả
Từ đó ta có ph ơng trình toán học cho mô hình t ơng đ ơng c a pin axít chìμ Đối với mô hình xả (dòng điện i* > 0):
* * 1 1 0 ( ) ( , , , ) E 0 ( ) Q Q Exp s f it i i Exp K i K it Laplace Q it Q it Sel s (3.38)
Đối với mô hình nạp (dòng điện i* < 0):