Việc lựa chọn bộ biến đổi cụng suất đểứng dụng cho hệ thống BESS là một vấn
đề quan trọng đảm bảo chất luợng điện năng cho lưới điện, một cỏch lựa chọn đơn giản cú thể sử dụng hai bộ cầu Thyristor mắc song song ngược. Tuy nhiờn hệ thống này đó thể hiện nhiều nhược điểm như khả năng chịu tần số đúng cắt thấp do đú khụng thể ứng dụng cỏc phương phỏp điều chếđộ rộng xung tần số cao, phỏt sinh nhiều súng hài, tồn tại dũng cõn bằng…Vỡ vậy bộ biến đổi cụng suất PWM sử dụng cầu ba pha IGBT - Diode là giải phỏp tốt nhất hiện nay.
Mụ hỡnh bộ biến đổi cụng suất PWM được giới thiệu trờn Hỡnh 2.12. Cấu tạo của bộ này gồm cỏc phần tử bỏn dẫn IGBT - Diode, cuộn cảm L và tụđiện C
Hỡnh 2.12. Sơđồ bộ biến đổi cụng suất IGBT
Nguyờn lý của chỉnh lưu PWM: Để thấy rừ nguyờn lý làm việc của chỉnh lưu PWM ta sử dụng sơđồ thay thế một pha
US là điện ỏp sau chỉnh lưu được quy đổi vềđiểm a, giản đồ vectơ tổng quỏt như
Hỡnh 2.13b. Nếu điều khiển chỉnh lưu PWM để vectơ dũng điện IrL
trựng với vectơ điện ỏp UrL
thỡ ta cú cosϕ = 1 và cụng suất Pd > 0. Khi vectơ IrL
ngược với vectơ UrL
ta cú cosϕ = -1 và cụng suất Pd < 0. Như vậy chỉnh lưu PWM hoàn toàn cú thể trao đổi cụng suất theo hai chiều.
- Giới hạn tham số của chỉnh lưu PWM: Giới hạn cực tiểu của điện ỏp một chiều: fa d dc U U U min > 0 =2,45 (2.1)
Thụng thường chọn điện ỏp một chiều ở giỏ trị:
0 ) 3 , 1 12 , 1 ( d dc U U = ữ (2.2) - Trạng thỏi chuyển mạch của bộ biến đổi:
Hỡnh 2.13a là sơ đồ thay thế Us là điện ỏp tải (mạch một chiều – nghịch lưu –
động cơ KĐB) được quy đổi vềđiểm a. Ta cú giản đồ vộc tơ tổng quỏt trờn Hỡnh 2.13b. Nếu điều khiển chỉnh lưu PWM để vộc tơ dũng điện IL trựng với vộc tơ ULta cú cosφ
= 1 và cụng suất Pd>0. Khi vộctơ dũng điện ILngược với vộc tơ UL ta cú cosφ = 1 và cụng suất Pd<0(ứng với chếđộ hóm tỏi sinh).
Vấn đề về trao đổi cụng suất tỏc dụng và hệ số cụng suất cosφ ta cần quan tõm và xem xột.
Để thực hiện dũng điện đầu vào cú dạng hỡnh sin người ta dựng phương phỏp biến điệu vộctơ khụng gian như theo nghịch lưu (SVPWM). Ta cú ba cú khoỏ bỏn dẫn cho ba pha Sa Sb Sc (hỡnh 2.12). Mỗi khoỏ cú hai trạng thỏi đúng 1 và cắt 0, tạo ra sỏu vộc tơ điện ỏp tỏc dụng (V1 V2 V3 V4 V5 V6 ) và hai trạng thỏi khụng là 111 và 000. Cỏc trạng thỏi đúng cắt trỡnh bày trờn Hỡnh 2.14.
a. Vộc tơđiện ỏp trong SVPWM
b. Trạng thỏi đúng cắt cỏc khoỏ
Hỡnh 2.14. Vector khụng gian phương phỏp SVPWM
2.6. Mụ hỡnh tương đương của ăcquy [13]
Theo mụ hỡnh mạch tương đương Thevenin như Hỡnh 2.15 thỡ ăcquy gồm: - Eb là điện ỏp hở mạch
- RBS là điện trở tương đương (điện trở trong và điện trở ngoài) của bộ ăcquy (gồm cỏc ăcquy nối song song và nối tiếp). Thường RBS cú giỏ trị nhỏ.
- Mạch song song R2 và Cb mụ tả năng lượng và điện ỏp trong quỏ trỡnh nạp và phúng ăcquy. R2 song song với Cb đại diện cho quỏ trỡnh tự phúng của ăcquy. Bởi dũng tự phúng này của ăcquy là nhỏ nờn R2 cú giỏ trị lớn. Giỏ trị của Cb cú thể được xỏc
định theo [13]: ( 2 ) min 2 max . 5 , 0 1000 . 3600 . oc oc b V V kWh C − = (2.3)
Trong đú: Vocmax,Vocmin là điện ỏp lớn nhất và nhỏ nhất của ăcquy khi nạp đầy và phúng hết ăcquy
Hỡnh 2.15. Sơđồ tương đương của ăcquy
2.6.1. Quỏ trỡnh phúng điện của ăcquy [10], [11]
Khi ăcquy được nối với phụ tải mạch điện ngoài tuỳ thuộc vào phụ tải, nhiệt độ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong mỗi ngăn, giỏ trị dũng điện lớn hay nhỏ mà thời gian phúng điện khỏc nhau.
Đường cong biểu diễn quỏ trỡnh phúng điện ăcquy 12V/100Ah phụ thuộc vào dũng phúng ở 25oC như Hỡnh 2.16.
Hỡnh 2.16. Quỏ trỡnh phúng điện ăcquy phụ thuộc vào dũng phúng
Trong quỏ trỡnh phúng theo thời gian, giỏ trị điện ỏp phúng giảm rất nhanh, làm
điện ỏp ăcquy giảm xuống rất nhỏ, điều này làm ảnh hưởng xấu tới khả năng tớch trữ
năng lượng, do đú phải thiết lập hệ thống giới hạn điện ỏp cuối khi phúng điện (Uf), trong khoảng thời gian giữa 1h và 20h điện ỏp cuối được giữ ở giỏ trị 1,75V, đụi khi giỏ trị này cũn thấp hơn Uf =1V.
Để tớnh toỏn năng lượng và cụng suất ăcquy cung cấp cho tải thường sử dụng giỏ trị điện ỏp phúng trung bỡnh (mean voltages) trờn Hỡnh 2.16.
Gọi điện dung của ăcquy Cd được xỏc định theo cỏc đại lượng điện,và được giữ ở giỏ trị hằng số trong suốt quỏ trỡnh phúng điện cho đến khi đến giỏ trị Uf. Khoảng thời gian ăcquy phúng điện cho đến khi đạt giỏ trị Uf được biểu diễn trờn trục hoành Hỡnh 2.17.
Theo cỏc tiờu chuẩn quốc tế và trong nước, giỏ trị điện dung Cd được giới hạn bởi giỏ trị dũng điện phúng mà nú cú thể đỏp ứng được. Giả sử ở nhiệt độ 20oC, sau thời gian 20h (Cd20) hoặc 5h (Cd5) thỡ Uf = 1,75V cỏc giỏ trị điện dung này là cỏc giỏ trị định mức. Trong điều kiện làm việc bỡnh thường giỏ trị điện dung trong quỏ trỡnh phúng khụng được thấp hơn 80% dung lượng định mức.
Mối quan hệ giữa giỏ trị điện dung và dũng điện làm việc theo cụng thức kinh nghiệm của Peukert năm 1898. ) 1 ( − = n d d I K C (2.4)
Trong đú: K là hệ số K phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ dung dịch H2SO4 khi thiết kếăcquy; n là cỏc giỏ trị hằng số, n=1,3.
Đường cong biểu diễn mối quan hệ điện dung với dũng điện phúng I và thời gian t như Hỡnh 2.17.
Hỡnh 2.17. Quan hệ giữa điện dung với dũng điện và thời gian
2.6.2. Quỏ trỡnh nạp cho ăcquy
Quỏ trỡnh nạp diễn ra khi đặt vào hai đầu cực ăcquy một nguồn nạp một chiều, trong dung dịch xẩy ra quỏ trỡnh điện phõn nước tạo ra cỏc ion H+ và e- di chuyển về
phớa cỏc điện cực Pb và PbO2 diễn ra cỏc phản ứng hoỏ học tại đõy tạo ra trờn bề mặt cỏc điện cực lớp PbSO4 cho đến khi đạt tới 60 đến 75% dung lượng ăcquy. Trong giai
đoạn ăcquy đang nạp với dũng điện 0,1A, điện ỏp của mỗi ngăn sẽ đạt đến 2,35V và bắt đầu tạo ra sự tăng cỏc khớ H2 và O2, trong quỏ trỡnh nạp điện thỡ quỏ trỡnh điện phõn nước luụn diễn ra đồng thời với cỏc phản ứng tại cỏc bản cực, càng gần cuối quỏ trỡnh
nạp giảm dần và liờn tục. Điện ỏp cỏc ngăn cuối quỏ trỡnh tăng từ 2,35V đến 2,5V và hoàn thành nạp điện vào cỏc ngăn. Tuy nhiờn trong thực tế khi chế tạo giỏ trị điện ỏp cú thể nạp cao hơn định mức, đặc tớnh biểu diễn hiệu suất quỏ trỡnh phúng, nạp điện một ngăn. Hỡnh 2.18. Hiệu suất của quỏ trỡnh nạp hoặc phúng trờn một ngăn ăcquy Đ i ệ n ỏp tr ung bỡnh (V) N ă ng l ượ ng (Wh)
Hỡnh 2.19. Sự phụ thuộc của điện ỏp trung bỡnh, năng lượng Ed vào dũng điện phúng
Năng lượng (Ed) được cung cấp bởi ăcquy trong suốt thời gian phúng điện với
điều kiện dũng điện phúng được giữ là giỏ trị hằng số bằng giỏ trị năng lượng của điện ỏp trung bỡnh tạo bởi cỏc giỏ trị điện dung ở nhiều ngăn. Sự phụ thuộc của giỏ trị điện ỏp trung bỡnh và năng lượng Ed vào dũng điện phúng như hỡnh 2.19. Từ đặc tớnh thấy
rằng khi dũng điện phúng tăng năng lượng cung cấp sẽ giảm dần rất nhanh vỡ vậy để
kộo dài thời gian làm việc của ăcquy 3h đến 10h cần phải được điều chỉnh dũng phúng một cỏch thớch hợp, thụng thường giỏ trị năng lượng được cung cấp chỉđạt 80% giỏ trị định mức.
Hỡnh 2.20. Sự phụ thuộc của cụng suất vào dũng điện phúng
Cụng suất cung cấp bởi Ắcquy bằng giỏ trị năng lượng cung cấp cho tải trờn một đơn vị thời gian t. Sự phụ thuộc của cụng suất vào dũng điện phúng được biểu diễn như Hỡnh 2.20.
Từđặc tớnh thấy rằng khi dũng điện phúng tăng sẽ làm tăng cụng suất cung cấp vỡ thế để tăng cụng suất cao hơn ăcquy cần phải phúng với dũng điện lớn bằng cỏch giảm giỏ trị điện dung tuy nhiờn thời gian phúng điện giảm rất nhanh.
Một vấn đề khỏc ta cần quan tõm đú là tuổi thọ của ăcquy được đỏnh giỏ bằng số lần chu kỳ phúng, nạp điện của ăcquy. Cơ sở đỏnh giỏ tuổi thọăcquy bằng tiến hành cỏc thớ nghiệm, quỏ trỡnh thớ nghiệm được kết thỳc khi giỏ trị điện dung giảm nhỏ hơn 80% giỏ trị định mức. Tuổi thọ trung bỡnh của một ăcquy làm việc liờn tục khụng dưới 2 năm. Tuy nhiờn trong thực tế thỡ thời gian làm việc của ăcquy cú thể dài hơn hoặc ngắn hơn vỡ khi thớ nghiệm trong điều kiện lý tưởng đó bỏ qua cỏc yếu tố về tự nhiờn như nhiệt độ, mụi trường tại nơi làm việc.
CHƯƠNG 3. NGHIấN CỨU HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU TRONG HỆ BESS 3.1. Tổng quan về cỏc bộ nghịch lưu [5], [6], [2]
3.1.1. Vai trũ của cỏc bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu cú nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Theo quỏ trỡnh điện từ xảy ra trong nghịch lưu, nghịch lưu cú thể được chia ra làm cỏc loại: Nghịch lưu dũng, nghịch lưu ỏp và nghịch lưu cộng hưởng. Ở đõy ta chỉ xem xột nghịch lưu dũng và nghịch lưu ỏp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rói của chỳng nhằm vào lĩnh vực truyền
động điện động cơ xoay chiều với độ chớnh xỏc cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ
nghịch lưu được dựng trong cỏc thiết bị lũ cảm ứng và hàn điện trung tần. Bộ nghịch lưu cũn được dựng để tạo ra nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đỡnh, làm nguồn cấp điện liờn tục UPS, điều khiển chiếu sỏng, trong hệ thống điện bộ nghịch lưu cũn
được ứng dụng vào lĩnh vực bự nhiễu cụng suất phản khỏng, lọc cỏc súng hài bậc cao. Cỏc tải xoay chiều thường mang tớnh điện cảm (vớ dụ động cơ khụng đồng bộ, lũ cảm
ứng…), dũng điện qua cỏc linh kiện khụng thể ngắt được bằng quỏ trỡnh chuyển mạch tự nhiờn. Do đú, trong mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện cụng suất tự kớch ngắt để cú thểđiều khiển quỏ trỡnh ngắt dũng điện.
Trong cỏc trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tớnh chất điện dung (động cơ đồng bộ kớch từ dư, tụ điện…), dũng điện qua cỏc linh kiện cú thể bị
ngắt do quỏ trỡnh chuyển mạch tự nhiờn phụ thuộc vào điện ỏp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện ỏp mạch tải.
3.1.2. Bộ nghịch lưu dũng
Nghịch lưu dũng là thiết bị biến đổi nguồn dũng một chiều thành dũng xoay chiều cú tần số tựy ý. Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dũng là nguồn một chiều cấp
điện cho bộ biến đổi phải là nguồn dũng, do đú điện cảm đầu vào (Ld) thường cú giỏ trị
N E d L Z C 1 T T3 2 T 4 T Hỡnh 3.1.Sơđồ nghịch lưu dũng một pha N E d L 1 T T3 4 T 2 T 5 T 6 T 1 C C3 5 C Hỡnh 3.2. Sơđồ nghịch lưu dũng ba pha
Nghịch lưu dũng một pha và nghịch lưu dũng ba pha đều sử dụng Thyristor do
đú để cú thể khúa được cỏc thyristor cần phải cú tụ chuyển mạch.
Trờn thực tế thỡ nghịch lưu dũng ba pha được sử dụng phổ biến vỡ cụng suất của nú lớn và đỏp ứng được cỏc ứng dụng trong cụng nghiệp. Trong cỏc hệ thống truyền
động điện điều chỉnh nghịch lưu nguồn dũng thường dựng cho cỏc hệ thống cụng suất lớn và cú sơđồ cầu ba pha, trong đú cỏc van bỏn dẫn là cỏc van Thyristor hoặc GTO. Trong thực tế kỹ thuật thường sử dụng cỏc van điều khiển khụng hoàn toàn, vỡ vậy cần cú cỏc mạch khúa cưỡng bức cỏc van đang dẫn, đảm bảo chuyển mạch dũng
điện giữa cỏc pha một cỏch chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dũng điện đủ
rộng.
Trờn hỡnh 3.3, ngoài cỏc thyristor lực T1ữT6 cũn sử dụng cỏc điốt cỏch ly Đ1 ữ
Đ6 nhằm cỏch ly giữa cỏc tụ điện chuyển mạch và dõy quấn cỏc pha của động cơ
khụng đồng bộ ĐK để chỳng khụng tạo thành mạch cộng hưởng làm ảnh hưởng đến quỏ trỡnh chuyển mạch.
Ưu điểm của nghịch lưu dũng:
- Cú khả năng vượt qua được cỏc sự cố chuyển mạch và tự phục hồi về trạng thỏi làm việc bỡnh thường;
- Cú khả năng hóm tỏi sinh trả năng lượng về lưới bằng đảo dấu cực tớnh của
điện ỏp một chiều trong khi chiều dũng điện khụng đổi chiều. Vỡ vậy khụng cần thờm bộ chỉnh lưu đảo chiều điện ỏp;
Nhược điểm của nghịch lưu dũng:
- Nhược điểm chớnh của bộ nghịch lưu nguồn dũng là khụng thể làm việc ở chế độ khụng tải.
- Kớch thước của điện cảm lọc nguồn một chiều khỏ lớn. Cỏc tụ chuyển mạch phải cú trị số lớn cần thiết để thu nhận năng lượng của cuộn dõy stator khi chuyển mạch.
- Để đảm bảo năng lượng phản khỏng tối thiểu thỡ động cơ phải được thiết kế
sao cho điện cảm tản nhỏ nhất. Điều này sẽ làm tăng giỏ thành động cơ ảnh hưởng tới giỏ trị kinh tế. N E d L 1 T C1 T3 C3 T5 1 D C5 D3 D5 2 D 4 D D6 2 T 6 T 4 T C2 4 C C6 A Z C Z B Z Hỡnh 3.3.Sơ đồ nghịch lưu dũng điện ba pha cỏch ly bằng Diod 3.1.3. Bộ nghịch lưu ỏp
Nghịch lưu ỏp là thiết bị biến đổi nguồn ỏp một chiều thành nguồn ỏp xoay chiều với tần số tuỳ ý. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trờn thực tế thỡ nghịch lưu nguồn ỏp được sử dụng khỏ phổ biến. Điện ỏp ra của nghịch lưu ỏp cú thểđiều chế theo phương phỏp khỏc nhau để cú thể giảm được súng
cỏc van động lực điều khiển hoàn toàn cũn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu ỏp bằng Thyristor khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơđồđiều khiển phức tạp.
Ngày nay cụng suất cỏc van động lực như: IGBT, GTO… càng trở nờn lớn và cú kớch thước gọn nhẹ, do đú nghịch lưu ỏp trở thành bộ biến đổi thụng dụng và được chuẩn hoỏ trong cỏc bộ nghịch lưu cụng nghiệp. Do đú sơ đồ nghịch lưu ỏp sử dụng van điều khiển hoàn toàn.
Đ4 Đ1 T1 T4 Z T2 T3 Đ2 Đ3 + _ C0 EN Hỡnh 3.4. Sơđồ nghịch lưu ỏp một pha Đ5 Đ2 T5 T2 Đ6 Đ3 T3 T6 Đ4 Đ1 T1 T4 EN ZB ZC ZA A B C UA iA iB iC Hỡnh 3.5. Sơđồ nghịch lưu ỏp ba pha Nghịch lưu điện ỏp cú đặc điểm: dạng điện ỏp ra tải được định hỡnh sẵn, cũn dạng dũng điện tải lại phụ thuộc vào tớnh chất tải. Nguồn cấp điện cho nghịch lưu điện ỏp phải là nguồn sức điện động lớn với nội trở nhỏ. Nếu sử dụng chỉnh lưu làm nguồn cho nghịch lưu điện ỏp cần phải mắc thờm một tụđiện C0 ởđầu vào nghịch lưu để một mặt đảm bảo điện ỏp nguồn ớt thay đổi, mặt khỏc để trao đổi cụng suất phản khỏng với
điện cảm tải (với tải RL hoặc động cơ điện). Điện ỏp ra của nghịch lưu điện ỏp khụng cú dạng hỡnh sin như mong muốn, mà đa số là dạng xung chữ nhật.
Cỏc van bỏn dẫn trong nghịch lưu điện ỏp cú thể là thyristor hoặc cỏc loại transito (bipolar, MOSFET, IGBT). Cỏc bộ nghịch lưu nguồn ỏp một pha được sử dụng trong cỏc ứng dụng cụng suất thấp và cỏc bộ nghịch lưu nguồn ỏp 3 pha được sử dụng trong cỏc ứng dụng cụng suất trung bỡnh và cao. Mục đớch chớnh của cỏc bộ nghịch lưu nguồn ỏp 3 pha là cung cấp một nguồn ỏp 3 pha với biờn độ, pha và tần số của điện ỏp