CHƢƠNG 3 : BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC HALF BRIDGE
H nh 2.13 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC
Do đó cần có một thuật toán để theo dõi điểm MPP, thuật toán này chính là phần quan trọng của bộ điều khiển MPPT. Có nhiều thuật toán được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế, trong đó phổ biến nhất là hai thuật toán P&O và INC.
1.7.1Thuật toán nhiễm loạn và quan sát P&O
Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời bị nhiễu bởi một số nhỏ và kết quả thay đổi công suất, được quan sát.
Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 ( < 0 và
< 0) th cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP. Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 ( > 0 và
>0) th cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP. Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 ( > 0 và
<0) th cần giảm điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 ( < 0 và
>0) th cần giảm điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP 1
Giải thích thuật toán:
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch , và kiểm tra:
Nếu > 0 th tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref Nếu < 0 th giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref
Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu k làm việc tiếp theo
H nh 2.16 Hệ thống điều khiển MPPT của dàn pin PV sử dụng thuật toán P&0
Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp
Phương pháp này đơn giản hơn và chỉ sử dụng một mạch vòng điều khiển và nó thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh chu kỳ D trong thuật toán MPPT. H nh 2.12 tr nh bày cấu trúc điều khiển của thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ D, hệ thống đo các tín hiệu điện áp và dòng điện của pin mặt trời sau đó qua thuật toán MPPT để điều chỉnh chu kỳ D, nhằm thay đổi trở kháng đầu vào của pin mặt trời sao cho phù hợp với trở kháng tối ưu
Khi trở kháng = th công suất của hệ thống pin mặt trời sẽ là lớn nhất
H nh vẽ trên cho thấy việc tăng D sẽ làm giảm tổng trở vào từ đó điện áp làm việc PV sẽ dịch sang bên trái ( giảm đi ), tương tự khi giảm D sẽ làm tăng khi đó điện áp làm việc sẽ dịch sang bên phải ( tăng lên ). Thuật toán MPPT sẽ quyết định việc dịch chuyển như thế nào.
H nh 2.17 Sơ đồ khối phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ D
H nh 2.19 Sơ đồ thuật toán P&O với phương pháp điều khiển trực tiếp
Giải thích thuật toán:
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch , và kiểm tra:
Nếu > 0 th giảm chu kỳ D Nếu < 0 th tăng chu kỳ D
Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu k làm việc tiếp theo
H nh 2.20 Chu k đóng cắt D
H nh 2.21 Công suất của pin mặt trời
Từ hai h nh trên cho thấy tại thời điểm t = 0.2s th công suất pin mặt trời đạt cực đại
H nh 2.22 Công suất pin PV khi độ rọi G thay đổi
H nh 2.23 Công suất ngõ ra ( W )
Từ hai h nh 2.22 và 2.23 cho thấy khi độ rọi G thay đổi tăng từ 300 W/m2 lên 900 W/m2 th công suất tấm pin cũng tăng theo
Kết luận:
Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ quang điện, đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định. Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách
trước. Một cách khác để giải quyết việc hao hụt công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi điều kiện thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong việc bám theo điểm MPP và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn. Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là không t m được chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi. Đặc điểm của phương pháp này là phương pháp có cấu trúc đơn giản nhất nhất và dễ thực hiện nhất, trong trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt một phần năng lượng. Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột.
1.7.2Phƣơng pháp điện dẫn gia tăng INC
Cấu trúc điều khiển của hệ thống dò t m điểm công suất cực đại INC theo điều khiển dòng điện như h nh 2.11. Phương pháp INC là phương pháp dựa trên thực tế như sau:
Độ dốc của đường cong công suất bằng không tại điểm MPP Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP
Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP
, tại điểm MPP
, bên trái điểm MPP
, bên phải điểm MPP Khi đó:
(2.7) Do đó có thể viết lại hệ thức trên như sau:
tại điểm MPP
bên phải điểm MPP (2.8)
Lưu đồ thuật toán h nh trên giải thích sự hoạt động của thuật toán INC điều khiển theo dòng tham chiếu. Các giá trị dòng điện và điện áp của pin mặt trời được đo về sau đó sử dụng các giá trị tức thời và giá trị trước đó để tính toán các giá trị gia tăng của và , thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương tr nh 2.8
Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP th chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng điện áp của pin mặt trời
Nếu điểm hoạt động nằm phía bên phải điểm MPP th chúng ta phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm điện áp của pin mặt trời
Khi điều kiện được thỏa mãn tức nó chính là các điểm MPP th thuật toán này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh điện áp.
Một kiểm tra quan trọng của thuật toán này là phát hiện điều kiện của môi trường. Nếu điểm hoạt động vẫn ở điểm MPP ( điều kiện = 0 ) và điệu kiện bức xạ không thay đổi ( = 0 ) th sẽ không phải điều chỉnh điện áp hoạt động. Nếu như bức xạ tăng ( > 0 ) th điện áp MPP giảm nên thuật toán INC phải tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP. Nếu bức xạ giảm ( < 0 ) dẫn tới điện áp điểm MPP cao hơn, phải giảm điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP.
Kết luận
Chương hai đã xây dựng được mô h nh mô phỏng dàn pin PV, khảo sát được sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và nhiệt độ đến công suất của dàn pin PV.
Trong hệ thống PV, người ta luôn mong muốn cho dù ở bất kỳ điều kiện thời tiết như thế nào, dòng công suất từ dàn pin PV tới tải luôn là cực đại, đó là mục tiêu cảu bài toán điều khiển MPPT.
Việc mô phỏng cho thấy thuật toán P&0 áp dụng thường xuyên cho trường hợp thời tiết thay đổi thường gặp trong thực tế. Thuật toán P&0 cho hiệu quả làm việc tốt khi điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột, nhưng thuật toán này khó có thể cân bằng về chi tiêu kinh tế ở những hệ thống nhỏ đòi hỏi chi phí lắp đặt thấp.
CHƢƠNG 3
BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC HALF BRIDGE
1.8 Giới thiệu về bộ chuyển đổi DC-DC
Quá tr nh xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá tr nh biến đổi DC-DC. Một bộ nâng điện áp là một bộ biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào, nó thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như hệ thống năng lượng mặt trời, hệ thống pin nhiên liệu, để tăng điện áp đầu ra của các hệ thống này lên mức yêu cầu phù hợp. Trong hệ thống năng lượng mặt trời, bộ biến đổi DC-DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC-DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải. Nh n chung bộ biến đổi DC-DC bao gồm các phần tử cơ bản là 1 khóa điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng và 1 diot dẫn dòng. Các bộ biến đổi DC-DC thường được chia làm 1 loại cách ly và không cách ly.
1.8.1Các bộ biến đổi DC-DC không cách ly thƣờng dùng Bộ giảm áp BUCK
1.8.1.1
Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản chỉ dùng một van đóng cắt nguồn điện và phần lọc đầu ra. Điện áp đầu ra được điều tiết theo độ rộng xung. Khi ” Switch On” được đóng tức là nối nguồn vào mạch th lúc đódòng điện đi qua cuộn cảm và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại thời điểm này th tụ điện được nạp đồng thời cũng cung cấp dòng điện qua tải. Chiều dòng điện được chạy theo h nh vẽ.
Khi ” Swith Off” được mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch. Khi đó trong cuộn cảm tích lũynăng lượng từ trường và tụ điện, điện được tích lũy trước đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảm dần. Chiều của dòng điện trong thời điểm này như trên h nh vẽ.
Bộ tăng áp BOOST
1.8.1.2
H nh 3. 2 Mạch tăng áp boost
Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản, cũng dùng một nguồn đóng cắt, dùng cuộn cảm và tụ điện. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào điều chế độ rộng xung và giá trị cuộn cảm L. Khi “swtich on” được đóng lại th dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua van và xuống đất. Dòng điện không qua diod và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải. Ở thời điểm này th tải được cung cấp bởi tụ điện, chiều của dòng điện như h nh vẽ.
Khi “switch off” được mở ra th lức này ở cuối cuộn dây xuất hiện với 1 điện áp bằng điện áp đầu vào. Điện áp đầu vào cùng điện áp cuộn cảm qua dios cấp cho tải và
cấp vào điện áp đầu vào. Chiều của dòng điện được đi như h nh vẽ, điện áp ra tải còn phụ thuộc giá trị điện cảm tích lũy năng lượng và điều khiển độ rộng xung ( điều khiển thời gian on/off). Tần số đóng cắt van là khá cao hàng Khz để triệt nhiễu công suất và tăng công suất ra.
Bộ đảo dấu điện áp BUCK-BOOST
1.8.1.3
H nh 3. 3 Mạch buck-boost
Khi “switch on” được đóng lại th dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua van và xuống đất. dòng điện không qua diod và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải. Ở thời điểm này th phải được cung cấp bởi tụ điện. Chiều của dòng điện như h nh vẽ.
Khi “switch off” được mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch. Khi đó trong cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường và tụ điện, điện được tích lũy trước đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảm dần. Chiều của dòng điện trong thời điểm này như trên h nh vẽ.
Nhận xét:
Các bộ biến đổi DC-DC không cách ly có ưu điểm là mạch điều khiển đơn giản và giá thành thấp, nhưng không cách ly.
1.8.2Các bộ biến đổi DC-DC có cách ly thƣờng dùng FLYBLACK
1.8.2.1
Mạch có cấu tạo bởi 1 van đóng cắt và 1 biến áp xung. Biến áp dùng để truyền công suất từ đầu vào cho đầu ra. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào băm xung PWM và tỉ số truyền của lõi. Như chúng ta đã biết chỉ có dòng điện biến thiên mới tạo được ra từ thông và tạo được ra sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây trên biến áp. Do đây là điện áp một chiều nên dòng điện không biến thiên theo thời gian do đó ta phải dùng van đóng cắt liên tục để tạo ra từ thông biến thiên.
sinh ra một điện áp có cực tính dương như h nh vẽ. Điện áp ở sơ cấp phụ thuộc bởi tỷ số giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Lúc này do diode chặn nên tải được cung cấp bởi tụ C.
Khi “Switch Off” được mở ra. Cuộn dây sơ cấp mất điện đột ngột lúc đó bên thứ cấp đảo chiều điện áp qua Diode cung cấp cho tải và đồng thời nạp điện cho tụ. Trong các mô h nh của nguồn xung th nguồn Flyback được sử dụng nhiều nhất bởi tính linh hoạt của nó, cho phép thiết kế được nhiều nguồn đầu ra với 1 nguồn đầu vào duy nhất kể cả đảo chiều cực tính. Các bộ biến đổi kiểu Flyback được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sử dụng nguồn pin hoặc acqui, có một nguồn điện áp vào duy nhất để cung cấp cho hệ thống cần nhiều cấp điện áp(+5V,+12V,-12V) với hiệu suất chuyển đổi cao.
Tuy nhiên, mạch chuyển đổi flyback có công suất đầu ra thấp chỉ 100w, 200w.
PUSH-PULL
1.8.2.2
Đối với nguồn xung loại Push-Pull này th dùng tới 2 van để đóng cắt biến áp xung và mỗi van dẫn trong 1 nửa chu k . Nguyên tắc cũng gần giống với nguồn flyback.
Khi A được mở B đóng th cuộn dây Np ở phía trên sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía trên ở thứ cấp có điện và điện áp sinh ra có cùng cực tính. Dòng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải. Như trên h nh vẽ.
Khi B mở và A đóng th cuộn dây Np ở phía dưới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía dưới thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính. Như trên h nh vẽ Với việc đóng cắt liên tục hai van này th luôn luôn xuất hiện dòng điện liên tục trên tải. Chính v ưu điểm này mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi là cao nhất và được dùng nhiều trong các bộ nguồn như UPS, Inverter…
Mạch chuyển đổi push pull chỉ điều khiển được điện áp đầu vào thấp, khi tăng điện áp lên cao mạch không có khả năng điều khiển.
FULL-BRIDGE
1.8.2.3
H nh 3. 6 Mạch full-bridge
Mạch chuyển đổi full bridge phải dùng tới 4 van mosfet để đóng ngắt. khi Q4 và Q3 dẫn, dòng điện chạy qua Q4 qua biến áp xung, dòng xoay chiều qua D1 rồi qua bộ lọc LC, qua tải về D2 qua biến áp về Q3 rồi về nguồn. Khi Q1 và Q2 dẫn, dòng điện qua Q1 qua biến áp, dòng xoay chiều qua D4 rồi qua bộ lọc, qua tải về D3 qua biến áp về Q3 rồi về nguồn.
HALF-BRIDGE
1.8.2.4
Trong chu k dương, mosfet 1 dẫn dòng điện chạy qua mosfet 1 qua biến áp chạy qua D3, qua mạch lọc rồi qua tải về máy biến áp rồi qua C2 về nguồn. ở chu k âm, mosfet 2 dẫn dòng điện qua C1 qua biến áp, qua D4 rồi qua mạch lọc và tải trở lại máy biến áp, sau đó qua mosfet 2 về nguồn.
Nhận xét:
Do nguồn vào và nguồn ra có sử dụng biến áp xung nên có ưu điểm là ổn định