Các bộ biến đổi DC-DC giảm tăng áp không cách ly

2.2.1. Bộ biến đổi giảm áp (buck)

Bộ giảm áp tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào, việc điều khiển các khóa chuyển mạch rất đơn giản, chỉ đóng và mở các khóa theo chu kỳ kết quả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào. Bộ buck converter thông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn máy tính và các thiết bị đo lường. Bộ buck converter còn được sử dụng để diều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.

b)

Hình 2.2: Bộ biến đổi buck (a); Điện áp và dòng qua cuộn cảm (b)

Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa S đóng, điện áp chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa S ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode D phân cực thuận. Điện áp đặt vào điện cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi khóa S đóng và có độ lớn bằng điện áp đầu ra cộng với điện áp rơi trên diode D, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian. Tụ điện đầu ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại đầu ra nằm trong giới hạn cho phép. Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục. Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0. Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa S, và T2 là thời gian ngắt khóa S. Như vậy, T = T1 + T2. Giả sử điện áp rơi trên diode D, và dao động điện áp đầu ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp đầu vào và đầu ra. Khi đó,

điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa S là 1 in out

T

(V - V )

T , còn

điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa S là 2 out

T V T

 .

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là: 1 2 in out out T T (V - V ) V 0 T  T  (2.1) hay 1 1 2 1 in out in out T T T T V V 0 V V T T T      (2.2) Giá trị T1 T

  thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle). Như vậy:

out in out in

V  V (  0 1)0 V V (2.3) Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp đầu vào Vin, giá trị điện áp đầu ra Vout, độ dao động điện áp đầu ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout, min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp đầu ra.

Phạm vi thay đổi của điện áp đầu vào và giá trị điện áp đầu ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ  :

out out min max in max in min V V ; V V     (2.4)

Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động là chế độ hoạt động liên tục và chế độ gián đoạn, chế độ liên tục là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn không do đó yêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn, còn chế độ gián đoạn dòng điện qua cuộn cảm có thể lớn hơn hoặc bằng không.

Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi   min (vì thời gian giảm dòng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi là Vout). Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:

out min outmin

min T V L 2 I

(1 ))     (2.5)

Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là điện cả m Lmi n và T. Nếu chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì Lmin cũng cần phải lớn.

Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện đầu ra. Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện đầu ra sẽ là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch). Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ là I T

2

  . Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điện tích này bằng C V. Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập). Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:

T

I C V

2

     (2.6)

ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp đầu ra cho phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp.

Bộ boost converter có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Vì vậy boost converter còn gọi là bộ tăng áp. Điện áp DC đầu vào mắc nối tiếp với một cuộn cảm khá lớn có vai trò như một nguồn dòng. Một khóa chuyển mạch mắc song song với nguồn dòng này và được đóng mở theo chu kỳ, năng lượng cung cấp từ cuộn cảm và nguồn làm cho điện áp đầu ra tăng lên .Boost converter thường được sử dụng để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp và hãm tái sinh động cơ DC.

Hình 2.3: Mạch boost cơ bản

Hình 2.4: Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng (a) và mở (b)

Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa S đóng, điện áp đầu vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa S ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Ở điều kiện làm việc bình thường, điện áp đầu ra có giá trị lớn hơn điện áp đầu vào, do đó điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với với khi khóa S đóng, và có độ lớn bằng chênh lệch giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào, cộng với điện áp rơi trên diode. Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần theo thời gian. Tụ điện đầu ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại đầu ra nằm trong giới hạn cho phép.

Tương tự như trường hợp của bộ biến đổi buck, dòng điện qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn và điện áp rơi trung bình trên điện cảm trong một chu kỳ sẽ bằng 0 nếu dòng điện qua điện cảm là liên tục (nghĩa là dòng điện tải có giá trị đủ lớn).

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa S, và T2 là thời gian ngắt khóa S. Như vậy, T = T1 + T2. Giả sử điện áp rơi trên diode, và dao động điện áp đầu ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp đầu vào và đầu ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa S là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa S là (T2/T)×(Vin − Vout).

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là:   1 in in o 2 ut T T V V V 0 T   T    (2.7) hay 1 in out in u 2 2 o 2 t T T T T V V 0 V V T T T T              (2.8)

Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ T1 T

  , T2 1

  in in out out in out ; 0 1 1 V V 1 V V 0 V V              (2.9)

Tương tự như với bộ biến đổi buck, một trong những bài toán thường gặp là như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp đầu vào Vin, giá trị điện áp đầu ra Vout, độ dao động điện áp đầu ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp đầu ra.

Phạm vi thay đổi của điện áp đầu vào và giá trị điện áp đầu ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ  :

inmax inmim out out min max V V 1 , và 1 V V       (2.10)

Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa S ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là hàm số: in in out

out

V

V V

V (  ) đạt giá trị nhỏ nhất khi  thay đổi từ minmax

(chú ý là hàm số này có giá trị âm trong khoảng thay đổi của  ). Gọi giá trị của  và Vin tương ứng với giá trị nhỏ nhất đó là th và Vinth (giá trị tới hạn), đẳng

thức sau (chỉ xét về độ lớn) được dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số) chuyển mạch và điện cảm:

1  th TVout  Vinth  Lmin 2Ioutm ni (2.11)

Việc lựa chọn giá trị cho tụ điện đầu ra hoàn toàn giống như đối với trường hợp bộ biến đổi buck.

2.3. Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ

Để ghép nguồn phát sức gió vào hệ thống điện độc lập cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với

một số tiêu chuẩn IEEE 2030, IEEE 1547 hoặc IEC [13, 18, 50, 51]. Siêu tụ phù hợp với ứng dụng đòi đáp ứng quá trình nạp xả nhanh, những công nghệ tích trữ năng lượng như thủy điện (PHS), khí nén (CAES) hay thậm chí acqui lại không có khả năng phản ứng nhanh như siêu tụ để đem lại khả năng ổn định ngắn hạn công suất đầu ra turbine phát điện sức gió, hỗ trợ ổn định tần số lưới.

2.3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ

Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn điện độc lập theo phương án bù phân tán cho mỗi turbine phát điện sức gió, được minh họa như Hình 2.6

Hình 2.7: Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn Hình 2.6: Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn điện

độc lập theo phương án bù phân tán

Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ có tác dụng như một bộ lọc công suất ngay phía đầu ra của mỗi turbine phát điện sức gió để đảm bảo khả năng ổn định ngắn hạn sự biến động thất thường của năng lượng gió. Để thực hiện chức năng đó, thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều với lưới thông qua hệ thống biến đổi điện năng gồm hai bộ biến đổi công suất là DC - DC và DC - AC cũng phải có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều.

Bài toán thiết kế thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với các nội dung tính toán bao gồm: Dung lượng siêu tụ, các phần tử thụ động của mạch điện.

2.3.2 Thiết kế kho điện

Tùy theo công nghệ tích trữ năng lượng (điện năng, hóa năng, cơ năng) mà quy trình tính toán dung lượng kho điện sẽ khác nhau. Để xác định dung lượng thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ đòi hỏi phải biết được công suất đầu ra của turbine phát điện sức gió, từ đó tính chọn lượng công suất tối đa cần phải bù trong khoảng thời gian ∆tmax được tiếp cận theo nhiều cách khác nhau.

a. Tính chọn dải điện áp làm việc của siêu tụ

Khi siêu tụ tích lũy năng lượng, điện áp trên tụ tăng dần đến giá trị tối đa chịu đựng được (Umax ). Khi kho điện giải phóng năng lượng, điện áp trên tụ giảm dần đến giá trị tối thiểu (Umin). Giá trị Umax được lựa chọn phụ thuộc vào điện áp một chiều trung gian của BBĐ DC-AC. Nếu lựa chọn Umax gần sát với điện áp một chiều trung gian sẽ dẫn tới van IGBT phải truyền tải năng lượng rất nhanh tới cuộn cảm, điều này cũng làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi. Trong luận án này, tác giả lựa chọn:

max DC

U 90%U (2.12)

Trong đó: UDC xác định theo nguyên tắc:

- Ở chế độ nghịch lưu (thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ xả năng lượng lên lưới), để đảm bảo điều chế ra điện áp ra, điện áp một chiều trung gian lựa chọn sao cho:

DC F

U  3U (2.13)

- Ở chế độ chỉnh lưu tích cực (thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ nhận năng lượng từ lưới), điện áp một chiều trung gian lựa chọn sao cho:

DC F

U  2 3U (2.14)

Trong đó UF là điện áp pha đầu ra.

Để cho khả năng nạp và giải phóng năng lượng của siêu tụ phải như nhau, cho nên ở chế độ chờ (sẵn sàng nạp hoặc xả) siêu tụ sẽ phải làm việc ở một điện áp chờ UC như sau:

- Khi tích lũy năng lượng thì quá trình nạp xảy ra, điện áp trên tụ sẽ tăng đến Umax. Giả thiết bỏ qua sự thay đổi điện dung của siêu tụ theo các yếu tố như điện áp, nhiệt độ,…(coi điện dung siêu tụ là không đổi) năng lượng nạp được tính: 2 2 E max C 1 W C(U U ) 2   (2.15)

- Tương tự như vậy, để giải phóng năng lượng thì quá trình xả xảy ra, điện áp trên tụ sẽ giảm đến Umin, năng lượng xả được tính:

2 2 E C min 1 W C(U U ) 2   (2.16)

- Để khả năng hấp thụ và giải phóng năng lượng của siêu tụ phải như nhau thì điện áp sẵn sàng làm việc của siêu tụ được tính như sau:

2 2 2 2 max C C min 1 1 C(U U ) C(U U ) 2   2  (2.17) 2 2 C max min 1 U (U U ) 2   (2.18)

Thường lựa chọn: min max

1 U U 2  , nên: 2 2 2 2

C max min max max max

1 1 1 5 U (U U ) U U U 2 2 2 8                 

Dựa vào mô hình thực tế, ta chọn điện áp chờ UC = 12V. b. Tính chọn điện dung của siêu tụ

Năng lượng siêu tụ cần phải nạp hoặc xả ở trạng thái làm việc chờ (điện áp UC) lựa chọn tỷ lệ với khả năng đáp ứng công suất Pmax trong khoảng thời gian được lựa chọn ∆t.

W Pmax  t

Năng lượng trong công thức (2.19) được lựa chọn chính là khả năng hấp thụ của siêu tụ từ điện UC cho đến khi nạp đầy tại điện Umax và chính là khả năng giải phóng từ UC đến Umin:

2 2

N max C max max

2 2

X C min max max

1 W C(U U ) P t 2 1 W C(U U ) P t 2             (2.20)

Điện dung của siêu tụ khi đó được lựa chọn như sau:

max max 2 max 3 P t 8 C 1 U 2    (2.21)

Trong luận văn được chọn 5 siêu tụ nối nối tiếp có ký hiệu là Maxwell 3000Farads/2.7VDC.

c. Tính chọn điện cảm của cuộn kháng

Cuộn cảm được lựa chọn sao cho độ đập mạch dòng điện là 3%. Theo [70], chênh lệch giữa điện áp một chiều trung gian và điện áp siêu tụ chính là điện áp trên cuộn cảm:

DC C

di

U U L

dt

  (2.22)

Điện áp trên cuộn cảm đạt giá trị lớn nhất khi điện áp một chiều trung gian