Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (791.36 KB, 5 trang )
<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>
<i>1<sub>Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; , </sub></i>
<i>2<sub>Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh; </sub></i>
<b>Tóm tắt - </b>Bài báo này giới thiệu cách thiết kế một bộ chuyển đổi
DC/DC mới phù hợp với sự thay đổi công suất của nhà máy điện mặt
trời. Bộ chuyển đổi này được hình thành từ nhiều bộ chuyển đổi có
cơng suất nhỏ, các bộ chuyển đổi DC/DC công suất nhỏ này được nối
với nhau theo một qui luật nhất định nhằm tạo ra một bộ chuyển đổi có
cơng suất lớn. Dựa vào việc cô lập một số bộ chuyển đổi DC/DC công
suất nhỏ kết hợp với điều khiển góc mở, điện áp định mức đầu vào và
đầu ra của bộ chuyển đổi có thể đáp ứng cho dải điện áp rộng mong
muốn. Nghiên cứu này còn thực hiện lắp ráp một bộ chuyển đổi DC/DC
200W thực tế để áp dụng vào tấm pin mặt trời PEPV-48-200 và đã
kiểm tra đo đạc. Kết quả cho thấy, bộ chuyển đổi DC/DC này hoạt động
ổn định, hiệu suất được cải thiện và có thể áp dụng vào thực tế.
<b>Abstract - </b>This paper introduces the designs of a new DC/DC
converter meeting the variation of output power of a PV system. This
DC/DC converter consists of many DC/DC converters with small
capacity; these small DC/DC converters are connected together
among a fore-given rule to obtain a DC/DC converter with high
capacity. By isolating some of small DC/DC converters and firing
angle adjustment, input and output voltage rating of this new DC/DC
converter can meet the desired operation range. This research also
introduces a 200W DC/DC converter for the PEPV-48-200 PV panel
<b>Từ khóa - </b>Bộ chuyển đổi DC/DC; cải thiện hiệu suất; điện mặt trời <b>Key words - </b>DC/DC converter; efficiency improvement; photovoltaic
<b>1.Đặt vấn đề </b>
Điện mặt trời đã được khai thác nhiều nơi trên thế giới
và nó giữ vai trò đáng kể trong việc đáp ứng nhu cầu điện
năng đang tăng cao ở nhiều nước. Dựa vào báo cáo của
REN21 (Renewable Energy Policy Network for the 21
century) [1], tổng dung lượng điện mặt trời đã lắp đặt năm
2017 là 98GW, tăng 30% so với 78GW vào năm 2016 và
nó đưa tổng công suất lắp đặt điện mặt trời toàn cầu từ
303GW vào 2016 lên đến 402GW vào cuối 2017. Tùy
thuộc vào cường độ bức xạ trung bình, vốn đầu tư, và mục
tiêu mà công suất lắp đặt của các nhà máy điện mặt trời
khác nhau, từ vài Watt đến hàng nghìn mega Watt và cấu
trúc của nhà máy điện mặt trời khác nhau.
Cấu thành phần cơ bản của một hệ thống điện mặt trời
bao gồm: các tấm pin mặt trời, bộ dữ trữ năng lượng (ắc
quy), bộ chuyển đổi DC/DC, và DC/AC [2]. Cấu trúc của
một hệ thống điện mặt trời bị phụ thuộc vào phụ tải, cấp
điện áp, và nhiều yếu tố khác. Thơng thường có 2 cấu hình
cơ bản được sử dụng phổ biến là cấu hình một cấp chuyển
đổi và 2 cấp chuyển đổi [3]. Với cấu Hình 2 cấp chuyển đổi,
bộ chuyển đổi DC/DC được sử dụng để nâng điện áp đầu ra
của hệ thống pin mặt trời đến điện áp cao hơn phù hợp với
phụ tải một chiều và cấp điện áp xoay chiều của lưới kết
công suất bé hơn 40% có thể đạt vài giờ trong ngày, chưa
kể đến hiện tượng bóng che và ngày ít nắng. Như vậy, trong
trường hợp này, công suất chạy qua DC/DC converter sẽ
khá nhỏ (nhỏ hơn 40%) nên hiệu suất của bộ chuyển đổi
DC/DC rất thấp và phần lớn cơng suất bị tiêu hao trong bộ
chuyển đổi. Vì vậy, việc thiết kế một bộ chuyển đổi DC/DC
có hiệu suất cao là cực kỳ cần thiết.
Nhiều tác giả đã đưa ra cấu trúc của bộ chuyển đổi DC/DC
với hiệu suất cao [7], [8]. Hầu hết các nghiên cứu này đều
nhằm giảm tổn thất trong bộ chuyển đổi và từ đó nâng cao
hiệu suất của bộ chuyển đổi. Hiệu suất của nó vẫn phụ thuộc
vào cơng suất đi qua nó. Điều đó có nghĩa rằng, trong khoảng
thời gian công suất đầu ra của tấm pin mặt trời (PV:
photovoltaic) rất thấp thì hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC
vẫn rất thấp. Do vậy, việc thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC có
Bài báo giới thiệu cách thiết kế mộ bộ chuyển đổi
DC/DC áp dụng vào hệ thống điện mặt trời nhằm cải thiện
hiệu suất của cả hệ thệ thống điện mặt trời. Ở đây, bộ
chuyển đổi DC/DC được cấu tạo từ nhiều bộ chuyển đổi
DC/DC có cơng suất nhỏ để tạo ra cơng suất đủ lớn và một
số trong các bộ chuyển đổi DC/DC nhỏ đó có thể được
ngừng làm việc trong suốt thời gian công suất đầu ra của
PV nhỏ. Bộ chuyển đổi DC/DC này sẽ được chế tạo thực
tế và được kiểm chứng.
<b>2.Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC </b>
<i><b>2.1.</b><b>Hiệu suất bộ chuyển đổi DC/DC </b></i>
làm giảm hiệu suất của hệ thống điện mặt trời. Hiệu suất
của bộ chuyển đổi DC/DC được tính
𝜂 =𝑃𝑜
𝑃𝑖 =
𝑃<sub>𝑖</sub>−∆𝑃<sub>𝑙𝑜𝑠𝑠</sub>
𝑃𝑖 = 1 −
∆𝑃<sub>𝑙𝑜𝑠𝑠</sub>
𝑃𝑖 (1)
ở đó, 𝑃𝑖 và 𝑃𝑜 là công suất đầu vào và ra của bộ chuyển đổi
DC/DC; ∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 là tổn hao công suất trong bộ chuyển đổi
DC/DC. Hiệu suất của bộ chuyển đổi này phụ thuộc vào cơng
suất đi qua nó 𝑃𝑖. Thơng thường, hiệu suất của bộ chuyển đổi
DC/DC đạt giá trị lớn nhất khi cơng suất truyền qua nó có giá
trị bằng công suất thiết kế. Khi công suất truyền qua bộ chuyển
đổi nhỏ hơn nhiều so với công suất định mức của nó thì hiệu
suất của bộ chuyển đổi sẽ suy giảm đáng kể - Hình 1b. Trong
thực tế, công suất đầu ra của tấm pin mặt trời thay đổi tuỳ
thuộc vào điều kiện thời tiết, trong khi công suất của bộ
chuyển đổi được thiết kế với cơng suất lớn nhất của tấm pin.
Vì vậy, hiệu suất của bộ chuyển đổi ở một số thời điểm, khi
cơng suất nhỏ truyền qua nó, sẽ có giá trị khơng tốt.
<i>(a) </i>
<i>(b) </i>
<i><b>Hình 1. (a) Hệ thống điện mặt trời sử dụng bộ chuyển đổi </b></i>
<i>DC/DC và (b) đặc tính hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC </i>
<i><b>Hình 2. Cấu trúc bộ chuyển đổi DC/DC được thiết kế </b></i>
Để cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC, ta cần
Module) để đạt được công suất lớn. Các SCM này được nối
nối song song ở đầu vào và nối nối tiếp ở đầu ra. Tại mỗi
phía của SCM, có 2 van điện tử, ví dụ tại SCM thứ 𝑛 có
2 van (Sin, Son) đặt như Hình 2. Với cấu trúc này, khi công
suất đầu ra PV nhỏ, nếu để tất cả các SCM làm việc thì
cơng suất đi qua mỗi SCM bé và hiệu suất của SCM giảm.
Trong trường hợp này, bằng cách mở Sin và đóng Son, ta có
thể cơ lập SCM thứ 𝑛. Tương tự như vậy, ta có thể cơ lập
nhiều SCM để cơng suất đi qua các SCM cịn lại đủ lớn
nhằm đảm bảo hiệu suất của các SCM đó cao. Kết quả là,
hiệu suất của cả bộ chuyển đổi DC/DC sẽ duy trì được hiệu
suất cao. Tuy nhiên, số lượng SCM cần cơ lập cịn phụ
thuộc vào dải điện áp làm việc của bộ chuyển đổi DC/AC.
<i><b>2.2.</b><b>Lựa chọn cấu trúc bộ chuyển đổi DC/DC </b></i>
Có rất nhiều loại mạch chuyển đổi DC/DC khác nhau
như Buck, Boost, Dual active Bridge… Tuy nhiên, qua phân
tích ưu nhược điểm của từng mạch và khả năng tích hợp
chúng vào tấm pin, cấu trúc mạch DC/DC như Hình 3 được
nhóm nghiên cứu lựa chọn. Cấu trúc này sử dụng 4 Mosfet
ở phía nghịch lưu, 4 diode để chỉnh lưu và 1 máy biến áp làm
nhiệm vụ cách ly phía sơ cấp và thứu cấp [10]-[12]. Với cấu
trúc này mức chịu đựng điện áp của các mosfet và diode là
<i><b>Hình 3. Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi SCM </b></i>
<i><b>2.3.</b><b>Thiết kế bộ điều khiển </b></i>
Trong quá trình làm việc, do cường độ bức xạ thay đổi,
để đảm bảo pin mặt trời phát được công suất cực đại, điện
áp đầu ra của PV phải thay đổi theothuật toán MPPT
(Maximum Power Point Tracking). Nếu điện áp đầu ra của
SCM 𝑉𝑜 được giữ cố định nhờ vào bộ chuyển đổi DC/AC,
ta cần phải thay đổi độ rộng xung đưa vào chân G của
Mosfet trong SCM để điện áp đặt lên PV thay đổi theo yêu
cầu của thuật toán MPPT. Sơ đồ bộ điều khiển như Hình 4.
Ở đây điện áp đưa vào bộ phát xung được tính
𝑉𝑥= 𝑉𝑟𝑒𝑓− 𝑘𝐺(𝑠)𝑒 (2)
𝑒 = 𝑉𝑟𝑒𝑓− 𝑉𝑑𝑐−𝑖 (3)
𝐺(𝑠) = 𝑘𝑝+𝑘𝑖
𝑠 + 𝑘𝑑𝑠 (4)
với, 𝑉𝑟𝑒𝑓, 𝑉𝑑𝑐−𝑖 lần lượt là điện áp tham chiếu và điện áp
thực tế đầu vào của SCM; k, kp, ki và kd là các hằng số của
bộ điều khiển; s là toán tử laplace. Điện áp Vref được xác
định từ bộ MPPT. Đầu ra của bộ phát xung là các xung có
độ rộng D và được cung cấp đến các Mosfet. Chú ý, các
xung đưa đến cặp Mosfet (Q1,Q3) ngược so với xung đưa
đến cặp Mosfet (Q2, Q4). Ở bài báo này tác giả không đi
<i>(a) </i>
<i>(b) </i>
<i><b>Hình 4. (a) tổng quan về bộ điều khiển và (b) cấu trúc bộ điều khiển </b></i>
<b>3.Lắp mạch thực tế </b>
<i><b>Bảng 1. Các thông số của tấm pin mặt trời PEPV-48-200 </b></i>
<b>Thông số </b> <b>Giá trị </b>
Công suất định mức 200W
Điện áp hở mạch 30,1V
Dòng điện ngắn mạch 8,84A
Dòng điện khi đạt MPPT 8,37A
Điện áp khi đạt MPPT 23,89V
Hiệu suất của tấm pin 15,22%
Để thiết kế và thử nghiệm bộ chuyển đổi DC/DC
như Hình 2, ở đây tác giả sử dụng tấm pin mặt trời loại
PEPV-48-200 có các thơng số như Bảng 1 và đặc tính cơng
suất P-V như Hình 5.
Ở điều kiện tự nhiên tại khu I - Trường Đại học Bách
khoa - Đại học Đà Nẵng, ta có được cơng suất phát của tấm
pin PEPV-48-200W vào ngày 17/02/2019 như Bảng 2.
<i><b>Hình 5. Đặc tính P-V của tấm pin PEPV_48 200W tại </b></i>
<i> điều kiện chuẩn (1000W/m², 25 °C) </i>
<i><b>Bảng 2. Công suất phát của tấm pin PEPV-48-200W vào </b></i>
<i>ngày 17/02/2019 </i>
<b>Thời gian </b> <b>Nhiệt độ </b>
<b>(°C) </b>
<b>Cường độ bức xạ </b>
<b>(Wh/m²) </b>
<b>Công suất </b>
<b>(W) </b>
07:00 26,15 204,27 30,437
08:00 31,34 335,97 57,462
09:00 35,68 446,8 78,642
10:00 43,97 702,2 121,93
11:00 43,95 648,89 113,01
12:00 43,96 633,33 110,12
13:00 45,97 697,07 119,74
14:00 44,08 619,12 105,47
15:00 37,41 385,19 64,304
16:00 33,01 276,38 40,458
17:00 26,66 28,67 4,002
Từ Bảng 2 ta thấy, công suất đầu ra của tấm pin mặt trời
trước 9:00am và sau 15:00pm, công suất chỉ đạt bé hơn 50%
công suất định mức. Nếu chúng ta sử dụng bộ chuyển đổi
DC/DC có cơng suất 200W thì trong các khoảng thời gian
đó, hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC rất bé. Vì vậy ở đây,
tác giả đã thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC bằng cách lắp ghép
10 bộ SCM, mỗi SCM có cơng suất 20W như Hình 2.
Một bộ SCM có cơng suất nhỏ 20W được lắp ráp từ các
Mosfet và Diode, các thông số của các Mosfet và Diodes
được lựa chọn như Bảng 3.
<i><b>Bảng 3. Thông số của các linh kiện điện tử trong một SCM </b></i>
<b>Linh kiện điện tử </b> <b>Thông số </b>
Diode (loại1N5822) VFM = 0,39V
Máy biến áp
Số vòng dây: n1=n2=24 vòng
Điện trở 2 cuộn dây:
R1 = R2 =0,021
Mosfet(loạiIRF3205) RDS(on)=8 m; Ciss=3247 pF
<i><b>Hình 6. Sơ đồ khối thực tế của một bộ SCM </b></i>
Thực hiện lắp mạch thực tế cho mỗi SCM theo sơ đồ
khối Hình 6. Ở đây chức năng của các khối trong mạch điều
khiển như sau:
a.<b>Khối Micro Controller: </b>Sử dụng vi điều khiển
Aruino Nano.
b.<b>Khối DAC Converter: </b>Đây là mơ đun chuyển đổi
<b>c.Khối Pulse Width Modulator: </b>Đây là khối điều chế
độ rộng xung, có chức năng thay đổi độ rộng xung điều
khiển, độ rộng xung điều khiển thay đổi từ (0-49) % tương
ứng với điện áp điều khiển 0-3,6 Volts. Ngõ ra của khối
điều chế độ rộng xung gồm 2 ngõ ra tạo xung A và B lệch
pha nhau góc 900, đồng thời có thời gian chết để tránh
trường hợp trùng dẫn khi thực hiện điều khiển cầu H.
Cô
n
g
su
ất
(W
)
100
150
50
0 <sub>4</sub> <sub>8</sub> <sub>12</sub> <sub>16</sub> <sub>20</sub> <sub>24</sub> <sub>28</sub> <sub>32</sub> <sub>36</sub>
d.<b>Khối High and low side Driver: </b>Khối thực hiện chức
năng điều khiển đóng cắt 4 Mosfet của cầu nghịch lưu.
<i>(a) </i>
<i>(b) </i>
<i>(c) </i>
<i><b>Hình 7. Bộ chuyển đổi DC/DC thực tế: (a) SCM, </b></i>
<i>(b) mặt trước, và (c) mặt sau </i>
Mạch thực tế của một SCM được chụp lại như Hình 7a.
Hiệu suất của một bộ SCM như Hình 8.
Bộ chuyển đổi DC/DC có cơng suất 200W được ghép
nối từ 10 bộ SCM như Hình 7b và 7c. Ở đây, 10 bộ SCM
được chia thành 2 khối, mỗi khối có 5 bộ SCM.
<i><b>Hình 8. Hiệu suất của 1 bộ SCM </b></i>
<i>(a)</i>
<i>(b)</i>
<i>(c)</i>
<i>(d)</i>
<i><b>Hình 9. (a) Cơng suất đầu ra tấm pin mặt trời, (b) số bộ SCM bị </b></i>
<i>cô lập, (c) phần trăm công suất đi qua bộ chuyển đổi, và </i>
<i>(d) hiệu suất của bộ chuyển đổi </i>
Với bộ chuyển đổi DC/DC đã được thiết kế, hiệu suất
của bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng với pin mặt trời
PEPV-48-200W như Hình 9. Từ Hình 9 cho thấy, trong
giai đoạn bức xạ mặt trời thấp, trước 9:00am và sau
14:00pm, một số bộ SCM phải bị cô lập và nhờ vào đó phần
trăm cơng suất đi qua các bộ SCM còn lại tăng lên. Kết quả
là hiệu suất của SCM đã được cải thiện hơn hẳn so với sử
dụng 1 bộ chuyển đổi DC/DC cố định. Ví dụ, trong giai
đoạn từ 7:00am đến 8:am, bằng cách cô lập bớt 3 bộ SCM,
hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC đã cải thiện từ 58,12%
lên đến 82,2%. Ở giai đoạn công suất đầu ra của PV lớn, từ
9:00am đến 15:00pm, bộ chuyển đổi DC/DC thiết kế được
vận hành với 10 bộ SCM; nên hiệu suất của bộ chuyển đổi
DC/DC thiết kế (gồm 10 bộ SCM 20W) vẫn duy trì giống
như một bộ DC/DC 200W.
Điện áp trước máy biến áp và đầu ra của SCM như Hình
10. Kết quả này cho thấy bộ chuyển đổi làm việc ổn định.
H
iệ
u
suấ
t
(%
)
100
80
60
40
20
0
Dịng điện (A)
0.6 1.2 1.8 2.4 3
Thời điểm (h)
C
ơ
n
g
su
ất
(W
)
Thời điểm (h)
S
C
M
bị
cô
lậ
p
(bộ
)
M
ật
độ
c
ô
n
g
su
ất
(%
)
Thời điểm (h)
Thời điểm (h)
H
iệ
u
su
ất
(%
<i>(a) </i>
<i>(b)</i>
<i><b>Hình 10. Điện áp đo lường từ bộ chuyển đổi DC/DC thiết kế: </b></i>
<i>(a) điện áp phía trước máy biến áp và (b) đầu ra của SCM </i>
<b>4.Kết luận </b>
Bài báo đã thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC gồm nhiều
bộ chuyển đổi nhỏ sử dụng cho hệ thống điện mặt trời nhằm
nâng cao hiệu suất của nhà máy điện mặt trời. Các bộ
chuyển đổi nhỏ này được nối song song ở đầu vào và nối
<b>Lời cảm ơn:</b> Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát
triển Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng trong đề tài
có mã số B2016-ĐN02-08 cấp ĐHĐN.
<b>TÀI LIỆU THAM KHẢO </b>
[1]
[2] M. Arunkumar, Mr. K. Palanivelrajan, “PV FED DC-DC converter
with two input boost stages”, <i>International Journal of Engineering </i>
<i>and Applied Sciences </i>(IJEAS), vol.4, Iss.4, pp.24-38, April 2017.
[3] S. Jain, V. Agarwal, “A single-stage grid connected inverter
topology for Solar PV systems with maximum power point
tracking”,<i> IEEE Transactions on Power Electronics</i>, vol.22, no.5,
pp.1928 -1940, 2007.
[4] T. F. Wu, C. H. Chang, L. C. Lin, and C. L. Kuo, “Power loss
comparison of single- and two-stage grid-connected photovoltaic
systems”, <i>IEEE Trans. Eenergy Conver.</i>, vol.26, no.2, pp.707-715,
JUNE 2011.
[5] P. Riccardo, Z. Zhe, A. Michael A. E., “Analysis of DC/DC converter
<i>4th IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe </i>(ISGT
Europe), October 6-9, Copenhagen, 2013.
[6] B. Parsons, “Variability of power from largescale solar photovoltaic
scenarios in the State of Gujarat”, Technical report,
(access on June 2018).
[7] M. S. Agamy, M. H. Todorovic, A. Elasser, R. L. Steigerwald, J. A.
Sabate, S. Chi, A. J. McCann, L. Zhang, and F. Mueller, “A high
efficiency dc-dc converter topology suitable for distributed large
commercial and utility scale PV systems.” <i>15th International Power </i>
<i>Electronics and Motion Control Conference</i>, EPE-PEMC 2012
ECCE Europe, Novi Sad, Serbia
[8] D. Huang, D. Gilham, W. Feng, P. Kong, Dianbo, F. C. Lee”,High
power density high efficiency DC/DC converter”, <i>IEEE Energy </i>
<i>Conversion Congress and Exposition International Conference</i>
[9] G. Sizikov, A. Kolodny,E. G. Fridman, M. Zelikson, “Efficiency
optimization of integrated DC-DC buck converters”, <i>17th IEEE </i>
<i>International Conference on Electronics, Circuits and Systems,</i> pp.
1215-1218, 2010.
[10]N. George, E. Sebastian, R. George, “Practical evaluation of a full-bridge
phase-shift-modulated ZVS DC-DC converter”,<i> International Journal of </i>
<i>Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation </i>
<i>Engineering</i>, vol. 3, Iss. 5, pp. 717-723, December 2014.
[11]K. P. Kathirvelu and R. Balasubramanian, “Design and
[12]O. A. Ahmed,J. A. M. Bleijs, “Modelling and experimental
verification of the effect of parasitic elements on the performance of
an active-clamped current-fed DC–DC converter”, <i>Simulation </i>
<i>Modelling Practice and Theory</i>, vol. 59, pp. 71-88, December 2015.