Nghiên cứu, thiết kế mạch tăng áp DC/DC trong bộ nghịch lưu hòa lưới của hệ thống pin mặt trời

Nội dung text: Nghiên cứu, thiết kế mạch tăng áp DC/DC trong bộ nghịch lưu hòa lưới của hệ thống pin mặt trời

1. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Nghiên cứu, thiết kế mạch tăng áp DC/DC trong bộ nghịch lưu hòa lưới của hệ thống pin mặt trời Nguyễn Đức Minh 1, *, Đỗ Như Ý 2, Trịnh Trọng Chưởng 3 1 Viện Khoa học Năng lượng, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, email: minhnguyenduc.ies@gmail.com 2 Trường Đại học Mỏ- Địa chất, email: donhuy.humg@gmail.com 3 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, email: chuongtt@haui.edu.vn THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT Quá trình: Hiệu quả làm việc của bộ nghịch lưu trong hệ thống phát điện pin mặt trời Nhận bài 15/04/2021 hòa lưới phụ thuộc vào nhiều yếu tố từ khâu tăng áp, khâu điều chế đến Chấp nhận 16/8/2021 khâu lọc đầu ra. Khâu tăng áp có vai trò đảm bảo biên độ điện áp đầu ra Đăng online 19/12/2021 nằm trong phạm vi nhất định. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch tăng áp DC/DC, lựa chọn hệ số chu kỳ D (Duty cycle) Từ khóa: có xét đến sự ảnh hưởng của cường độ bức xạ mặt trời. Kết quả thực Hệ thống PV hòa lưới, Bộ nghiệm thấy rằng với cấu trúc mạch thiết kế và hệ số chu kỳ D đề xuất đã biến đổi DC/DC, hệ số chu kỳ cải thiện được hiệu suất của mạch tăng áp, nâng cao hiệu quả làm việc cho D, Theo dõi điểm phát công bộ nghịch lưu và tỏ rõ khả năng ứng dụng trong thực tế. suất cực đại toàn cục GMPPT © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu Zhou, Q. Luo, and B. Zhu, 2013). Tùy vào yêu cầu đặt ra sẽ sử dụng cấu trúc cách ly hoặc không Bộ biến đổi DC-DC tăng áp chế độ chuyển cách ly (M. Forouzesh, Y. P. Siwakoti, S. A. Gorji, mạch có nền tảng bắt nguồn từ việc phát triển các F. Blaabjerg, and B. Lehman, 2017). Các bộ bộ biến đổi tăng áp điều chế độ rộng xung chuyển đổi sử dụng biến áp có thể thu được hệ số (PWM). Các cấu trúc liên kết DC-DC tăng áp tăng áp cao bằng cách điều chỉnh tỷ số vòng dây chuyển đổi các mức điện áp thấp thành các mức và sử dụng các linh kiện có giá trị định mức thấp cao hơn bằng cách tạm thời lưu trữ năng lượng để giảm tổn thất dẫn. Tuy nhiên, các điện cảm rò đầu vào sau đó giải phóng nó ở đầu ra với một gây ra gai điện áp cao trên các linh kiện công suất mức điện áp cao hơn. Các lưu trữ như vậy có thể và thường đòi hỏi một mạch dập xung (snubber). được thực hiện ở các bộ phận lưu trữ từ trường Có thể sử dụng mạch dập xung kiểu điện trở - tụ (cuộn cảm) hoặc các bộ phận lưu trữ điện trường điện - diode (RCD) hoặc mạch kẹp để giảm tổn (tụ điện) qua việc sử dụng các yếu tố chuyển thất năng lượng (M. Sahoo and S. Kumar K, mạch chủ động và thụ động (công tắc điện và đi- 2014); (P. Marabeas, D. Coutellier, J. Yang, S. ốt) (. Trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn hệ thống Choi, and V. G. Agelidis, 2011) PV hòa lưới E. Figueres, G. Garcerá, J. Sandia, F. Hiệu suất của mạch tăng áp DC/DC hay hiệu quả González-Espín, and J. C. Rubio, 2009) và các hệ làm việc cho bộ nghịch lưu phụ thuộc vào nhiều thống phát điện dùng năng lượng tái tạo, cần yếu tố khác nhau như: cấu hình; thiết bị điện tử thiết phải sử dụng bộ chuyển đổi với hệ số tăng công suất; phương pháp điều khiển; kỹ thuật bám áp cao. Các bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC khác theo điểm công suất cực đại; điều kiện môi trường; nhau đã được trình bày trong các tài liệu (S. công suất truyền tải qua bộ biến đổi; Và các yếu tố Deshpande and N. R. Bhasme, 2018); (S. Chen, L. này liên quan đến nhau, hợp thành để nâng cao 129
2. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) hiệu quả làm việc của bộ biến đổi. Tuy nhiên, một Hình 1 mô tả cấu hình mạch tăng áp DC/DC đề số vấn đề cần xem xét thêm, thứ nhất để thiết kế xuất, bao gồm một nguồn cung cấp DC với điện một bộ chuyển đổi nhỏ gọn, phải có cách để giảm áp nguồn Pin quang điện (Vin), một khóa bán dẫn thiểu hoặc loại bỏ các tổn thất chuyển mạch. Trong chuyển mạch (S), ba diode (D1, D2, D3), một cuộn trường hợp này các kỹ thuật chuyển mạch mềm và cảm (L), ba tụ điện (C1, C2, C3). Đầu ra ra được nối cộng hưởng được áp dụng cho các bộ tăng áp cao; với tải trở (Rload). Giá trị điện áp đầu ra Vo tăng thứ hai là trong khoảng thời gian công suất đầu ra cao nhờ hoạt động của khóa bán dẫn S và khả của tấm pin mặt trời (PV) rất thấp thì hiệu suất của năng tích trữ năng lượng của cuộn dây L và tụ bộ biến đổi DC/DC vẫn rất thấp và chưa có được điện C3 làm cho điện áp trên tụ C1 và C2 cao hơn một bộ số liệu đủ tin cậy trong một phạm vi đủ rộng điện áp nguồn cấp. Phương pháp điều khiển dựa của dải tần số điều chế để xác định mối quan hệ trên phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. giữa tần số băm áp và độ rộng xung điều chế đến 2.2. Phân tích mạch hiệu suất của bộ biến đổi DC/DC; thứ ba là việc xác định điểm công suất cực đại (MPPT) truyền thống Cấu hình tăng áp này hoạt động dựa trên hai rất khó để theo dõi khi có bóng che một phần do có trạng thái đóng mở khóa bán dẫn S. nhiều điểm MPPT địa phương (A. Kumar, 2015); (P. Kumar, G. Jain, and D. K. Palwalia, 2015). Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày đề xuất cấu hình D1 L1 tăng áp DC/DC mới bằng cách sử dụng một cấu C1 S hình tăng áp sử dụng ít khóa bán dẫn, ít cuộn kháng Vin và hệ số tăng áp cao hơn các cấu hình thông RLoad C thường. Từ đó dẫn đến việc điều khiển dễ dàng 3 D3 hơn, ít tổn thất trên linh kiện, hiệu suất tăng, giảm kích thước và trọng lượng mạch, chi phí thấp. Bên C2 cạnh đó, chúng tôi cũng tính toán lựa chọn hệ số D2 chu kỳ D (Duty cycle) hợp lý có xét đến ảnh hưởng của cường độ bức xạ mặt trời. Kết quả thực nghiệm Hình 2a. Trạng thái 1 cho thấy: mạch đề xuất đã cải thiện được hiệu suất, nâng cao hiệu quả làm việc bộ nghịch lưu. Trạng thái 1 (hình 2): trong khoảng thời gian t 2. Mạch tăng áp DC/DC đề xuất = T-TON, khóa S mở, lúc này năng lượng trên nguồn và năng lượng trên cuộn kháng L sẽ được nạp qua 2.1. Cấu hình mạch tăng áp DC/DC đề xuất các tụ C1 và C3 thông qua các diode D1 và D3. Điện áp trên tụ được xác định theo công thức (1): D1 푈 1 = 푈 3 = 푈푖푛 (1) L1 − C1 S Ở đây: Uc1, Uc2, Uc3 là điện áp trên tụ C1, C2, C3; Uin Vin là điện áp nguồn; T là chu kỳ chuyển mạch; TON là R Load thời gian đóng khóa bán dẫn S C 3 D3 Trạng thái 2 (hình 2b): trong thời gian TON, khóa C2 S đóng. Lúc đó năng lượng từ nguồn DC sẽ tích trữ vào cuộn kháng L. Trong trạng thái này khóa S và D2 D2 đóng nên điện áp từ tụ C3 sẽ nạp qua tụ C2. Điện áp trên tụ C2 có giá trị bằng điện áp trên tụ C3. Hình 1. Cấu hình mạch tăng áp DC/DC đề xuất 130
3. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) đóng ngắt cho MOSFET (Metal-Oxide- Semiconductor Field Effect Transistor): Vimin = D1 15V. Điện áp định mức đầu ra: là điện áp đầu ra tại L1 C1 điểm có công suất cực đại khi không có bóng che, V S in VON = 165V. Dòng tải lớn nhất: IOmax = VON/RL = RLoad 165/154 = 1,1 A. Độ rộng xung tối đa Dmax = 80%. C3 D 3 Tần số đóng cắt: fs = 40kHz. Các loại mạch tích hợp: gồm các cảm biến, mạch xử lý tín hiệu phục vụ điều C2 khiển MPPT. D2 Tải Nguồn cấp DC Mạch tăng áp ngõ (Pin quang điện) dc-dc đề xuất Hình 2b. Trạng thái 2 ra V I pv pv Như vậy: 푈 = 푈 = 푈 (2) 2 3 푖푛 − GMPPT PWM Mạch kích Thay (2) vào (1) có thể xác định điện áp trên tụ (Arduino) Mosfet C và C như phương trình (3): 1 2 Hình 3. Sơ đồ mô hình thực nghiệm 1 푈 = 푈 = 푈 (3) Mạch thực nghiệm cấu hình tăng áp đề xuất 1 2 푖푛 1 − được điều khiển bởi board Arduino UNO R3. Mạch Do điện áp trên 2 tụ C1 và C2 bằng nhau và đối tăng áp đề xuất được xây dựng với một MOSFET xứng, nên điện áp trên tải (Uload) có giá trị là: công suất kết hợp với mạch kích để điều khiển, 3 1 diode xung, 3 tụ điện phân cực được sử dụng để lưu 푈퐿표 = 푈 1 + 푈 2 = 2푈 2 = 2 푈푖푛 (4) năng lượng tạm thời trong mạch và cuộn cảm, mô 1 − hình thực nghiệm được cho ở hình 3. Phần mềm Khi đó hệ số tăng áp của mạch (kB) là: PSIM được sử dụng để khảo sát cấu hình tăng áp đề 2 xuất với giải thuật dò điểm MPPT bằng GA và P&O = (5) 1 − cho hệ thống PV làm việc trong điều kiện bức xạ đồng nhất và có bóng che một phần. Trong bài báo Từ (5) giá trị của hệ số chu kỳ D là: 0 < D < 1 này, chúng tôi khảo sát hệ thống PV công suất 60W Như vậy, cấu hình mạch tăng áp đề xuất chỉ sử (có 36 cell) làm việc trong 3 trường hợp có các mức dụng một khóa bán dẫn chuyển mạch S. Bên cạnh bức xạ khác nhau với nhiệt độ môi trường (25oC) đó cấu hình cho hệ số nhân áp cao nhưng điện áp và tải không thay đổi. trên các tụ C , C , C và điện áp phục hồi ngược 1 2 3 Bảng 1. Thông số các linh kiện sử dụng trong mô trên các diode D , D , D chỉ bằng một nửa so với 1 2 3 phỏng và thực nghiệm điện áp đầu ra. Do đó, có thể sử dụng diode Schottky có giá thành thấp và giảm thiểu các tổn Thông số Giá trị thất liên quan đến việc phục hồi ngược diode. Cuộn dây L 0.4mH 3. Mô phỏng và thực nghiệm Diode D1, D2, D3 MUR1660CT C , C , C 470µF/250V Tụ điện 1 2 3 3.1. Thông số kỹ thuật đầu vào Cin 470µF/100V Lựa chọn các linh kiện cho mạch, gồm các thông Khóa bán dẫn S IRFP250N số với yêu cầu kỹ thuật của mạch như sau: Điện áp Tần số chuyển mạch (fs) 40kHz danh định: là điện áp của tấm pin tại điểm có công suất cực đại: VN = 52V. Điện áp lớn nhất: lấy bằng điện áp hở mạch của tấm pin: Vimax = 65V. Điện áp cực tiểu: là điện áp tối thiểu để Arduino điều khiển 131
4. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) cao nhất của bộ chuyển đổi là 91,5% ở tần số chuyển mạch f = 65kHz. f = 40 kHz 95 90 85 Mô phỏng Hiệu Hiệu suất (%) Thực nghiệm 80 50 100 140 170 P (W) Hình 4. Cấu hình mạch tăng áp đề xuất tìm MPPT f = 50 kHz 95 3.2 Kết quả và thảo luận 90 • Cấu hình mạch tăng áp đề xuất với nguồn một chiều cố định 85 Mô phỏng Hiệu Hiệu suất (%) Thực nghiệm 80 50 100 140 170 P (W) f = 65 kHz 92 90 88 86 Mô phỏng Hiệu suất (%) Thực nghiệm 84 Hình 5. Điện áp đầu ra Vo của cấu hình tăng áp 50 100 140 170 P (W) Hình 5 là dạng sóng điện áp đầu ra của cấu hình tăng áp đề xuất. Với hệ số chu kỳ D = 0.5,Vin Hình 6. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm = 30V, R = 80Ω ở điều kiện lý tưởng không xét của cấu hình theo fs đến tổn thất năng lượng trong bộ chuyển đổi, giá Với tần số chuyển mạch f = 65kHz, điện áp đầu điện áp đầu ra mô phỏng là V = 120V thể hiện o vào V = 30V, hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm qua đường màu đỏ. Ở điều kiện có xét đến tổn in đo được ở các mức tải khác nhau dưới các hệ số chu thất năng lượng thì giá trị điện áp đầu ra mô kỳ (D) khác nhau được thể hiện ở hình 7. Hiệu suất phỏng là V = 105.65V thể hiện qua đường màu o thực nghiệm cao nhất đo được là 91% ở hệ số D = xanh dương. Giá trị điện áp đầu ra thực nghiệm 0.35. Nhìn chung, kết quả điện áp đầu ra, hiệu suất là V = 104.25V thể hiện qua đường màu hồng. o giữa mô phỏng và thực nghiệm có sự chênh lệch là • Khảo sát mạch tăng áp đề xuất với nguồn DC do tổn thất năng lượng trên các linh kiện, đặc biệt cố định ở nhiều hệ số chu kỳ và tần số chuyển mạch là điện trở nối tiếp tụ điện ESR mà trên phần mềm mô phỏng không thể mô tả chính xác được (không Kết quả so sánh hiệu suất mô phỏng và thực có thiết bị hỗ trợ nên không xác định được chính nghiệm của cấu hình đề xuất với điện áp đầu vào V in xác điện trở nối tiếp tụ điện ESR). = 50V, hệ số D = 0.5 được trình bày ở Hình 7. Hiệu suất đo được ở các mức tải khác nhau dưới tần số chuyển mạch khác nhau. Hiệu suất thực nghiệm 132
5. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) D=0.35 95 90 85 80 Hiệu Hiệu suất (%) Mô phỏng Thực nghiệm 75 Hình 8. Đặc tuyến P-V của hệ thống pin quang điện 0 50 P (W) 100 150 1000-800-600 W/m2 D=0.5 90 88 86 84 Hiệu Hiệu suất (%) 82 Mô phỏng Thực nghiệm 80 0 50 100 150 P (W) Hình 9. Kết quả mô phỏng dò điểm MPPT với giải thuật P&O và GA 1000-800-600 W/m2 D=0.7 Trường hợp 2: Các tấm pin có mức bức xạ lần 90 lượt là 800-400-200 W/m2 (điểm cực đại toàn cục 85 nằm ở giữa) 80 75 Mô phỏng Hiệu Hiệu suất (%) Thực nghiệm 70 0 50 100 150 P (W) Hình 7. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm của cấu hình đề xuất theo hệ số D Hình 10. Đặc tuyến P-V của hệ thống pin quang điện • Cấu hình mạch tăng áp đề xuất với nguồn pin 800-400-200 W/m2 quang điện và dò MPPT Hình 10 mô tả đặc tuyến P-V của hệ PV với mức Trường hợp 1: Các tấm pin có mức bức xạ lần bức xạ lần lượt trên các module là 800-400- 2 lượt là 1000-800-600 W/m (điểm cực đại toàn cục 200W/m2, do đặc tuyến có 3 đỉnh công suất cực đại nằm bên phải) nhưng đỉnh có công suất lớn nhất là 55,79W nằm ở Hình 8 thể hiện đặc tuyến P-V của hệ thống pin giữa. Hình 11 thể hiện điểm công suất mà giải thuật quang điện với mức bức xạ lần lượt trên các P&O và GA dò được chạy trên cấu hình tăng áp đề module là 1000-800-600W/m2, do đó đặc tuyến có xuất. Qua hình nhận thấy rằng giải thuật GA dò ra 3 đỉnh công suất cực đại nhưng đỉnh có công suất được điểm có công suất cực đại là 55,82W, trong lớn nhất là 127,47W nằm ở phía bên phải. Hình 9 khi đó giải thuật P&O bị rơi vào điểm cực trị địa thể hiện điểm công suất mà giải thuật P&O và GA phương ở bên trái là 50,98W. để dò MPPT được chạy trên cấu hình tăng áp đề xuất. Nhận thấy rằng giải thuật GA dò ra được điểm có công suất cực đại là 127,1W, trong khi đó giải thuật P&O bị rơi vào điểm cực trị địa phương ở giữa là 108,1W. 133
6. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) thống PV làm việc trong điều kiện có bóng che từng phần không hiệu quả bằng giải thuật GA. 4. Kết luận Bài báo đã đề xuất một cấu hình tăng áp DC/DC giúp giảm số linh kiện bán dẫn, hệ số nhân áp cao, hiệu suất cao so với cấu hình truyền thống đã được nghiên cứu trước đó. Cấu hình có cấu trúc đơn giản Hình 11. Kết quả mô phỏng dò điểm MPPT với giải nên dễ dàng kiểm tra hư hỏng và xác suất hư hỏng thuật P&O và GA 800-400-200 W/m2 trên các linh kiện thấp. Ngoài ra, bài báo cũng trình Trường hợp 3: Các tấm pin có mức bức xạ lần bày phương pháp điều chế độ rộng xung, kết quả lượt là 1000-200-300 W/m2 (điểm cực đại toàn cục phân tích mạch và tính toán, lựa chọn linh kiện cho nằm bên trái cấu hình tăng áp DC/DC đề xuất và áp dụng giải thuật dò điểm công suất cực đại trên cấu hình đề xuất. Trên cơ sở lý thuyết đã được trình bày, mô phỏng và thực nghiệm đã được tiến hành để chứng minh khả năng hoạt động của mạch. Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã kiểm chứng được một số ưu điểm của mạch tăng áp DC/DC đề xuất Đóng góp của các tác giả Hình 12. Đặc tuyến P-V của hệ thống pin quang điện Tác giả Nguyễn Đức Minh phụ trách lên ý tưởng 1000-200-300 W/m2 và đề xuất cấu hình mạch DC-DC tăng áp, làm thực nghiệm. Tác giả Đỗ Như Ý phụ trách xây dựng kịch bản nghiên cứu và phối hợp với tác giả Nguyễn Đức Minh để làm thực nghiệm. Tác giả Trịnh Trọng Chưởng phụ trách xây dựng thuật toán, lập trình và kiểm tra tính chính xác của nội dung và kết quả bài báo. Hình 13. Kết quả mô phỏng dò MPPT với giải thuật Tài liệu tham khảo P&O, GA 1000-200-300 W/m2 E. Figueres, G. Garcerá, J. Sandia, F. González-Espín, Hình 12 thể hiện đặc tuyến P-V của hệ thống với and J. C. Rubio, (2009). Sensitivity study of the mức bức xạ lần lượt trên các module là 1000-200- dynamics of three-phase photovoltaic inverters 2 300W/m . Đặc tuyến có 3 đỉnh công suất cực đại with an LCL grid filter. IEEE Trans. Ind. nhưng đỉnh có công suất lớn nhất là 63,62W nằm ở Electron., vol. 56, no. 3, pp. 706–717. phía bên trái. Hình 13 thể hiện điểm công suất mà S. Deshpande and N. R. Bhasme, (2018). A review giải thuật P&O và GA dò được chạy trên cấu hình of topologies of inverter for grid connected PV tăng áp đề xuất. Qua hình 13 nhận thấy: cả 2 giải systems. 2017 Innov. Power Adv. Comput. thuật đều dò ra điểm có công suất cực đại. Trong Technol. i-PACT 2017, vol. 2017-Janua, pp. 1–6. trường hợp này do điểm bức xạ nằm phía bên trái, M. Forouzesh, Y. P. Siwakoti, S. A. Gorji, F. Blaabjerg, bên cạnh đó hệ số D lúc khởi động nằm gần điểm and B. Lehman, (2017). Step-Up DC-DC này nên vô tình giải thuật P&O dò ra được. Nhưng converters: A comprehensive review of voltage- trong thực tế đa số các đỉnh có công suất cực đại boosting techniques, topologies, and thường nằm bên phải hoặc ở giữa, nên sử dụng giải thuật P&O để dò điểm công suất cực đại trong hệ 134
7. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) applications, IEEE Trans. Power Electron., vol. 32, no. 12, pp. 9143–9178. M. Sahoo and S. Kumar K, (2014). High gain step up DC-DC converter for DC micro-grid application. 2014 7th Int. Conf. Inf. Autom. Sustain. "Sharpening Futur. with Sustain. Technol. ICIAfS 2014. S. Chen, L. Zhou, Q. Luo, and B. Zhu, (2013). Interleaved non-isolated high step-up DC/DC converter based on the diode–capacitor multiplier. IET Power Electron., vol. 7, no. 2, pp. 390–397. P. Marabeas, D. Coutellier, J. Yang, S. Choi, and V. G. Agelidis, (2011). Analysis, design and experimental results of a floating-output interleaved-input boost-derived DC–DC high- gain transformer-less converter. IET Power Electron., vol. 4, no. 1, p. 168. A. Kumar, “Overview of Genetic Algorithm Technique for Maximum Power Point Tracking ( MPPT ) of Solar PV System,” no. Cognition, pp. 21–24, 2015. P. Kumar, G. Jain, and D. K. Palwalia, “Genetic algorithm based maximum power tracking in solar power generation,” Proc. 2015 IEEE Int. Conf. Power Adv. Control Eng. ICPACE 2015, pp. 1–6, 2015. 135