Pin Mặt Trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cấu tạo của pin Mặt Trời
Pin Mặt Trời được cấu tạo từ một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng chuyển đổi năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.
Pin Mặt Trời chủ yếu được cấu tạo từ silic tinh thể, một vật liệu quan trọng không chỉ cho pin năng lượng mặt trời mà còn cho các thiết bị bán dẫn.
Silic, thuộc nhóm IV, có 4 electron ở lớp ngoài cùng và có khả năng kết hợp với silicon khác để tạo thành chất rắn Có hai loại chất rắn silicon chính: đa thù hình, không có trật tự sắp xếp, và tinh thể, với các nguyên tử được sắp xếp theo thứ tự trong không gian 3 chiều Pin Mặt Trời phổ biến nhất hiện nay thường sử dụng đa tinh thể silicon.
Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Để cải thiện tính dẫn điện của silic, có thể thêm một lượng nhỏ nguyên tử nhóm III (như nhôm hoặc gali để tạo bán dẫn loại p) hoặc nhóm V (như photpho hoặc asen để tạo bán dẫn loại n) Cả hai loại bán dẫn n và p đều có năng lượng trung hòa, với năng lượng dương và âm tương đương; trong đó, bán dẫn loại n (âm) cho phép chuyển động, trong khi bán dẫn loại p (dương) hoạt động theo cách ngược lại.
Khi chiếu sáng hệ thống, điện tử ở mức năng lượng thấp hơn E1 sẽ hấp thụ photon ánh sáng mang năng lượng hv (với h là hằng số Planck và v là tần số ánh sáng) và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng: hv = E1 – E2 (1.3)
1.9 Phương trình hiệu ứng lượng tử: eV+hv→ e - + h + (1.4) Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lƣợng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là: hv > Eg = EC – EV (1.5) Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là: λC = hc/( E C – E V ) (1.6) Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lƣợng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e - - h + , tức là tạo ra một điện thế Hiện tƣợng đó gọi là hiện tƣợng quang điện bên trong
Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời chính là hiện tƣợng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n
Hiện tượng quang điện xảy ra khi một photon có năng lượng vượt quá ngưỡng kích thích electron lớp ngoài cùng Tần số ánh sáng từ Mặt Trời thường tương đương với nhiệt độ khoảng 6000°K.
i [3]
Phần lớn năng lượng Mặt Trời được silic hấp thụ, tuy nhiên, hầu hết năng lượng này được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt thay vì năng lượng điện có thể sử dụng.
Hệ thống nối lưới
Đưa được năng lượng tái tạo từ pin mặt trời lên lưới điện
Các điều kiện để hòa lưới một hệ thống điện
Cùng biên độ điện áp
Đối với lưới 3 pha thì phải đúng thứ tự pha
Lưới điện dân dụng của Việt Nam là 220VAC sin tần số 50Hz
Nhƣ vậy yêu cầu đặt ra của bộ chuyển đổi là tạo đƣợc điện áp hoặc dòng điện hình sin với yêu cầu:
Năng lượng từ pin Mặt Trời được cung cấp dưới dạng điện một chiều với điện áp thấp Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện, cần sử dụng hai bộ chuyển đổi.
Bô chuyển đổi điện áp DC thấp lên điện áp DC cao
Bộ chuyển đổi từ điện áp DC qua điện áp AC
Để thực hiện hòa lưới đồng bộ, việc phát hiện độ lệch pha giữa hai hệ thống điện là rất quan trọng sau khi đã tạo ra điện áp.
Công suất đưa lên lưới là cực đại
Khi đã đưa công suất lên lưới, vấn đề quan trọng là làm sao để đạt được công suất cực đại Mỗi điều kiện chiếu sáng khác nhau sẽ tạo ra công suất cực đại khác nhau cho pin năng lượng Mặt Trời Do đó, cần một thuật toán để xác định điểm cực đại này, gọi là MPPT (Maximun Power Point Tracking) Vì vậy, việc bổ sung bộ điều khiển tính toán giải thuật MPPT là cần thiết để tìm ra điểm cực đại.
Từ các phân tích trên, các thành phần cơ bản của mô hình
Bộ chuyển đổi DC/DC(có thể không có)
Bộ chuyển đổi DC/AC
Bộ phát hiện góc pha của lưới điện
Bộ điều khiển việc hòa lưới
Bộ tính toán và tìm điểm công suất cực đại(MPPT).
Giới thiệu về một số phương pháp nối lưới
Mô hình PV chuyển đổi điện áp từ pin Mặt Trời thành điện AC 50HZ, sau đó sử dụng biến áp để hòa vào lưới điện Ưu điểm của hệ thống này là khả năng tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo.
Chấp nhận những sai lệch nhỏ của lưới điện
Tổn hao trên máy biến áp lớn >= 20% do đó hiệu suất không đƣợc cao
Mô hình cồng kềnh,nặng
Mô hình PV chuyển đổi điện áp từ pin Mặt Trời thành điện AC 50Hz với điện áp tương đương điện áp lưới, tuy nhiên chỉ có một chu kỳ dương Để tạo ra toàn kỳ, cần sử dụng bộ khóa đảo chiều trước khi hòa lưới Ưu điểm của mô hình này là khả năng cung cấp điện năng hiệu quả từ nguồn năng lượng tái tạo.
Hiệu suất đạt đƣợc cao (khoảng 95%-98%)
Thích hợp với những mô hình pin năng lƣợng Mặt Trời công suất nhỏ (vài KW), điện áp thấp
Khó khăn khi thực hiện bộ DC/AC
Cần nhiều khóa đóng cắt dẫn đến tổn hao đóng cắt và truyền dẫn tăng
Mô hình PV chuyển đổi điện áp từ pin Mặt Trời thành điện áp DC cao, sau đó sử dụng bộ chuyển đổi DC/AC để đưa điện lên lưới điện Ưu điểm của hệ thống này là hiệu suất cao trong việc tận dụng năng lượng tái tạo.
Hiệu suất đạt đƣợc cao(khoảng 95%-98%)
Thích hợp với những mô hình pin năng lƣợng Mặt Trời công suất nhỏ(vài KW), điện áp thấp
Khó khăn khi thiết kế bộ DC/DC
Cần nhiều khóa đóng cắt dẫn đến tổn hao đóng cắt và truyền dẫn tăng
Mô hình PV chuyển đổi điện từ pin năng lượng mặt trời thành điện xoay chiều (DC/AC) và đưa trực tiếp lên lưới điện mà không cần qua bộ chuyển đổi DC/DC Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản hóa quy trình chuyển đổi năng lượng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí.
Hiệu suất đạt đƣợc cao
Thích hợp với các mô hình có công suất lớn
Tính ổn định không cao, do năng lƣợng lấy trực tiếp từ pin Mặt Trời ra có điện áp không ổn định
Không cách ly áp giữa lưới điện và pin năng lượng Mặt Trời
Yêu cẩu áp đầu ra của pin Mặt Trời phải lớn hơn áp của lưới điện
GIẢI THUẬT MPPT
Sự cần thiết của việc xác định điểm MPPT
Một trong những yếu tố quan trọng khi làm việc với năng lượng mặt trời là tối ưu hóa nguồn năng lượng từ pin quang điện Do đó, việc nghiên cứu và khảo sát tại điểm công suất phát ra cực đại là cần thiết để đạt được hiệu quả cao nhất.
Nhiệt độ môi trường và cường độ ánh sáng thường xuyên thay đổi, dẫn đến đặc tuyến PV cũng biến đổi và điểm làm việc cho tải thay đổi theo Nhà sản xuất cung cấp đường cong I-V cho từng hệ thống PV, cho thấy rằng cường độ dòng điện Isc luôn tỷ lệ với độ chiếu sáng Khi cường độ ánh sáng thay đổi, dòng Isc cũng sẽ thay đổi tương ứng.
I scI : Dòng ngắn mạch tại vị trí cường độ nắng bất kỳ
Isc1-Sun : Dòng ngắn mạch tại full Sun (1000W/m 2 ) Insolation: Cường độ chiếu nắng bất kỳ
Insolation 1-sun : Cường độ chiếu nắng tại full sun Như vậy với mỗi đặc tính tải không đổi ( I = (1/R)V ) khi cường độ chiếu sáng thay đổi thì điểm làm việc cũng thay đổi mà tại đó công suất sẽ không đạt đƣợc hiệu suất cao nhất Để đạt đƣợc hiệu suất cao nhất thì ta phải điều chỉnh đặc tuyến I-V của PV thông qua bộ MPPT để đạt đƣợc điểm làm việc cực đại nghĩa là (Ipv.Vpv )max = I.V
Hình 2.1: Đặc tuyến V-A với sự thay đổi của cường độ chiếu nắng Khảo sát 3 đặc tính tải : một động cơ Dc (Dc motor) , một acquy 12V, và MPPT
Hình 2.2: Đặc tuyến V-A và đặc tuyến của các loại tải
Đối với tải là động cơ DC, đặc tính I-V được mô tả bởi công thức V = I.R + k.ω (trong đó k.ω = e) Khi khởi động (ω = 0), dòng điện và điện áp sẽ tăng nhanh chóng, sau đó tăng tuyến tính theo mối quan hệ V = IR như trong hình vẽ Do đó, điểm hoạt động của động cơ sẽ là giao điểm giữa đặc tính I-V của động cơ và đặc tính khác.
Hệ thống PV với 14 tuyến I-V cho thấy cường độ chiếu sáng thay đổi theo thời gian Các điểm hoạt động không phải là mức công suất cực đại mà PV có thể phát ra Qua tính toán công suất hoạt động của động cơ DC trong một ngày với cường độ nắng biến đổi hàng giờ, ta nhận thấy công suất đạt được chỉ khoảng 85% so với công suất tối đa của PV khi sử dụng bộ MPPT.
- Với tải là acquy ta có đăc tuyến PV: V = V B + IR Nhƣ vậy đặc tuyến của acquy là một đường thẳng và bằng (1/R)
Hình 2.3: Ắc quy và đặc tuyến của nó Khi acquy nạp thì thì điện áp cần cung cấp phải lớn hơn VB, trong quá trình nạp
VB tăng lên do đó đặc tuyến I-V sẽ hơi nghiêng về bên phải và ngƣợc lại khi acquy xả thì đặc tuyến hơi nghiêng về bên trái
Hình 2.4 minh họa quá trình nạp và xả ắc quy Tương tự như tải của động cơ DC, các điểm làm việc của ắc quy cũng không đạt được công suất tối đa mà hệ thống PV phát ra Việc tính toán công suất hoạt động của ắc quy trong một ngày là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng.
15 ứng với cường độ nắng thay đổi hàng giờ ta thấy công suất sẽ chỉ đạt khoảng 83% công suất phát ra của PV khi sử dụng bộ MPPT
Bộ tải có gắn MPPT (Maximum Power Point Tracking) là một bộ chuyển đổi Buck-Boost, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời MPPT điều chỉnh tỷ lệ D (Vout Vin x D/(1-D)) để tải hoạt động ở điểm công suất cực đại thông qua phương trình cân bằng công suất Ipv.Vpv = I.V Nghiên cứu cho thấy, trong một ngày với cường độ nắng thay đổi theo giờ, công suất hoạt động của MPPT cao hơn khoảng 15% so với tải không sử dụng MPPT.
Bảng 2.1: MPPT so sánh với các tải không sử dụng MPPT
Việc xác định điểm công suất cực đại (MPP) là rất quan trọng cho mô hình pin năng lượng Mặt Trời Để đạt được công suất tối ưu, cần sử dụng một bộ biến đổi công suất và áp dụng giải thuật MPPT Trong đề tài luận văn này, bộ Buck – Boost và giải thuật IncCond được sử dụng để tìm kiếm MPP hiệu quả.
Bộ biến đổi đảo áp Buck – Boost
Hình 2.5: (a) Bộ Buck-Boost converter ; (b) Khóa ON trong thời gian DT; (c) Khóa OFF trong thời gian (1-D)T; (d) Các dạng sóng
Bộ biến đổi buck-boost hoạt động theo nguyên tắc khi khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào được đặt lên điện cảm, làm tăng dòng điện theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm duy trì dòng điện, tạo ra điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tỷ lệ giữa thời gian đóng và ngắt khóa quyết định giá trị điện áp ra, có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn điện áp vào Trong mọi trường hợp, dấu điện áp ra ngược với dấu điện áp vào, dẫn đến dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian.
Trong các giả thiết tương tự, khi dòng điện qua điện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0.
Chu kỳ chuyển mạch được ký hiệu là T, trong đó T1 là thời gian đóng khóa và T2 là thời gian ngắt khóa Tổng thời gian T được tính bằng T1 cộng T2 Điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa là (T1/T)×Vin, trong khi điện áp rơi trung bình khi ngắt khóa là −(T2/T)×Vout Điều kiện để điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được diễn đạt như sau.
Công thức (T1/T) × V in − (T2/T) × V out = 0 cho thấy mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của bộ biến đổi buck-boost Khi D = 0.5, Vin sẽ bằng Vout Trong các trường hợp khác, khi 0 < D < 0.5, Vout sẽ nhỏ hơn Vin, và khi 0.5 < D < 1, V in sẽ nhỏ hơn Vout Bộ biến đổi này có khả năng tăng áp hoặc giảm áp, điều này lý giải cho tên gọi của nó là bộ biến đổi buck-boost.
Để đảm bảo ổn định điện áp ngõ ra, cần xác định các thông số quan trọng như phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, cùng với giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:
D min = V out / (V in,max + V out ) (2.4)
D max = V out / (V in,min + V out ) (2.5)
Lý luận về bộ biến đổi buck cho thấy rằng tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện bằng 2 lần dòng điện tải Điều này cho phép độ thay đổi dòng điện tối đa bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trong trường hợp xấu nhất, điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa đạt giá trị lớn nhất, tức là khi D = Dmin, với thời gian giảm dòng điện là T2 và điện áp rơi không thay đổi là Vout.
Để lựa chọn các thông số L min và T, công thức (1 – Dmin) × T × Vout = Lmin × 2 × Iout,min cho thấy rằng nếu tần số chuyển mạch nhỏ (T lớn), thì L min cũng phải lớn.
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra, tạo ra điện áp trên tụ điện dưới dạng các đoạn đa thức bậc hai trong một chu kỳ chuyển mạch Khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình, lượng điện tích nạp vào tụ điện được tính bằng ΔI×T/2, trong đó ΔI là biên độ dòng điện xoay chiều và T là thời gian Lượng điện tích này cũng có thể được biểu diễn bằng công thức C×ΔV, với ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ Để xác định giá trị của tụ điện, ta áp dụng đẳng thức ΔI×T/2 = C×ΔV, trong đó ΔI được xác định là 2 lần dòng điện tải tối thiểu và T đã được chọn trước đó Giá trị C sẽ được điều chỉnh dựa trên độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV.
Hệ MPPT
Pin quang điện có đặc điểm phi tuyến, dẫn đến công suất thu được khác nhau tại mỗi điểm làm việc Điều quan trọng là xác định vị trí làm việc tối ưu để đạt được công suất lớn nhất Để đơn giản hóa, ta có thể xem tải là một biến trở.
Theo định luật Ohm : V = I x R hay I=(1/R) x V
Khi kết nối tải với nguồn pin Mặt Trời, điểm làm việc của hệ thống được xác định tại giao điểm giữa đường đặc tính của pin Mặt Trời và đường đặc tính của tải.
Hình 2.6 minh họa đặc tính tải và pin mặt trời, cho thấy rằng khi thay đổi biến trở với cùng một nguồn pin mặt trời, ta sẽ thu được các điểm làm việc khác nhau, tương ứng với các công suất khác nhau được tính bằng công thức P=U x I Trong số nhiều điểm làm việc, có một điểm đặc biệt mà tại đó công suất đạt giá trị cực đại, được gọi là điểm MPP.
Bằng cách giữ cố định biến trở và điều chỉnh cường độ bức xạ Mặt Trời, ta có thể thu được nhiều đường đặc tính PV khác nhau Mỗi đường đặc tính sẽ tương ứng với một điểm MPP, nơi công suất đạt giá trị cực đại.
Hình 2.7: Đặc tính U/I theo bức xạ
Công suất đầu ra của pin Mặt Trời : P = V x I
Tại điểm công suất cực đại :
(2.8) Khi công suất pin Mặt Trời cực đại thì :
Nghĩa là điểm làm việc phía bên trái điểm MPPT, vì vậy cần tăng điện áp cấp vào bằng cách giảm độ rộng xung (giảm D)
Nghĩa là điểm làm việc phía bên phải điểm MPPT, vì vậy cần giảm điện áp cấp vào bằng cách tăng độ rộng xung (tăng D)
Hình 2.8: Điểm làm việc dao động
2.3.2.1 Giải thuật P&O (Perturbation and Observation Method) :
Phương pháp dP/dV là một kỹ thuật đơn giản và phổ biến, nổi bật nhờ vào thuật toán dễ thực hiện Thuật toán này phân tích sự thay đổi điện áp theo chu kỳ để xác định điểm làm việc có công suất tối đa Khi sự biến thiên điện áp dẫn đến tăng công suất, biến thiên tiếp theo sẽ tiếp tục theo hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu công suất giảm, biến thiên tiếp theo sẽ thay đổi theo chiều ngược lại Khi xác định được điểm làm việc có công suất lớn nhất trên đường cong đặc tính, sự biến thiên điện áp sẽ dao động quanh điểm MPP (Maximum Power Point).
Hình 2.9: Lưu đồ giải thuật P&O
Sự dao động điện áp gây tổn hao công suất trong hệ quang điện, nhất là khi thời tiết thay đổi chậm hoặc ổn định Để khắc phục tình trạng này, có thể điều chỉnh logic trong thuật toán P&O bằng cách so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước Một phương pháp khác nhằm giảm hao hụt công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính.
Phương pháp này có cấu trúc đơn giản và dễ thực hiện, nhưng khi điều kiện thời tiết thay đổi, nó trở nên chậm chạp trong việc theo dõi điểm MPP, dẫn đến hao hụt công suất lớn hơn Nhược điểm chính là không xác định chính xác điểm làm việc có công suất tối đa trong điều kiện thời tiết biến động Do đó, phương pháp này không phù hợp với những tình huống có sự thay đổi thời tiết thường xuyên và đột ngột, mặc dù trong trạng thái ổn định, điểm làm việc chỉ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt một phần năng lượng.
2.3.2.2 Giải thuật INC (Incremental Conductance Method ) :
Phương pháp sử dụng theo dI/dV là giải pháp hiệu quả để khắc phục nhược điểm của phương pháp P&O, đặc biệt trong điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Phương pháp này dựa trên việc gia tăng tổng điện dẫn của dãy pin mặt trời nhằm xác định điểm công suất tối ưu.
Hình 2.10: Lưu đồ giải thuật INC
Phương pháp này có 23 ưu điểm chính, đặc biệt cho kết quả tốt nhất khi thời tiết thay đổi nhanh và dao động nhỏ hơn quanh điểm MPP so với phương pháp P&O Tuy nhiên, nhược điểm của nó là mạch điều khiển phức tạp và yêu cầu hai cảm biến để đo dòng điện và điện áp, dẫn đến chi phí lắp đặt cao Dù vậy, sự phát triển của nhiều phần mềm và bộ xử lý hiện nay đã giúp giảm đáng kể giá thành của hệ thống này.
2.3.2.3 Thuật toán điều khiển điện áp hở mạch:
Cơ sở của phương pháp vòng hở là giả sử điện áp tại điểm công suất cực đại VMPP là hàm tuyến tính của điện áp hở mạch VOC
Hệ số tỷ lệ k, có giá trị thường nằm trong khoảng 0.71 đến 0.78, phụ thuộc vào đặc trưng của pin mặt trời (PV) K thường được ước lượng dựa trên kinh nghiệm để xác định VMPP và VOC cho dãy PV ở các mức bức xạ và nhiệt độ khác nhau.
Giả thiết này cho thấy độ chính xác hợp lý trong các trường hợp dòng ngắn mạch của pin quang điện và khi nhiệt độ thay đổi rộng Thông qua việc đo điện áp hở mạch, chúng ta có thể xác định điểm công suất cực đại dựa vào công thức (2.10).
Một nhược điểm của phương pháp này là điện áp hở mạch của module thay đổi theo nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, điện áp hở mạch cũng biến đổi, yêu cầu phải đo thường xuyên Điều này dẫn đến việc tải phải được tháo khỏi module để thực hiện đo đạc, khiến công suất của hệ quang điện trong thời gian này không được sử dụng.
BỘ NGHỊCH LƯU 5L_ANPC_CI [1]
Giới thiệu
Bộ nghịch lưu 5 bậc mới, hay 5L-ANPC-CI, kết hợp bộ nghịch lưu 3 bậc 2 chiều (3L-B) với 2 bộ nghịch lưu cơ bản song song, tạo ra cấu trúc điều khiển dòng phân tầng với tần số khác nhau Trong đó, phần dòng cao được điều khiển bởi 3L-B với tần số thấp (LF), còn phần dòng thấp tương ứng với 2 bộ song song và 2 cuộn dây điều khiển tần số cao (HF) Cấu trúc này giúp tăng dòng ngõ ra hiệu quả, đồng thời giảm dòng đóng ngắt qua thiết bị công suất HF Nguyên tắc hoạt động của hệ thống đã được xác minh qua mô phỏng cả hai cấu trúc một pha và ba pha bằng phần mềm Simulink của Matlab.
3.1.1 Bộ nghịch lưu 2L cơ bản:
Bộ nghịch lưu áp hai bậc hoạt động dựa trên sự thay đổi điện áp giữa một đầu pha tải và điểm điện thế chuẩn trên mạch DC, với điện áp dao động giữa hai giá trị ±Udc/2 trong quá trình đóng cắt linh kiện Tuy nhiên, nhược điểm của bộ nghịch lưu này là tạo ra điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ với độ dốc thay đổi điện áp dv/dt lớn, gây khó khăn do sự tồn tại của trạng thái khác không của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC, thường được gọi là điện áp common mode.
Hình 3.1 minh họa ba bộ nghịch lưu cơ bản với hai cấp điện áp, mỗi bộ có một điểm chung được kết nối với nguồn dòng (i0) và các thiết bị công suất nối với nguồn áp (Vdc) Đối với bộ nghịch lưu đơn hướng 2L-P, điểm chung được kết nối với cực dương của nguồn dòng hoặc cuộn cảm.
Bộ nghịch lưu 2L cơ bản bao gồm ba loại: bộ 2L-P, bộ 2L-N và bộ 2L-B Điểm chung của bộ nghịch lưu đơn hướng 2L-N được kết nối với cực âm của nguồn dòng hoặc cuộn cảm Bộ 2L-P hoạt động đối nghịch với bộ 2L-N, và ngược lại Trong khi đó, bộ 2L-B là sự kết hợp giữa hai bộ 2L-P và 2L-N.
Hình 3.2 mô tả hai bộ chuyển đổi DC-DC giảm áp (buck) cổ điển với bộ lọc ngõ ra (L0, C0) Khi bộ 2L-P được thay thế cho bộ 2L-N trong bộ chuyển đổi buck, cấu hình mạch sẽ có sự khác biệt Việc thiết kế bộ 2L-P khác với bộ 2L-N phụ thuộc vào vị trí tương đối của bộ đóng ngắt.
Hình 3.2: Bộ chuyển đổi dc-dc giảm áp (buck) 2L đơn hướng cổ điển
(a) Bộ giảm áp 2L-P (b) Bộ giảm áp 2L-N
Sử dụng các quan hệ toán học cơ bản, có thể xác định giá trị của bộ lọc ngõ ra (L 0 ,
Để xác định giá trị cuộn cảm nhỏ nhất (L0), cần xác định độ gợn dòng điện ngõ ra lớn nhất có thể chấp nhận (∆i0) và tần số đóng ngắt lớn nhất (fsw).
(3.1) với ∆i 0 là độ gợn dòng chạy qua cuộn cảm L 0
Độ gợn dòng điện ngõ ra lớn nhất là một thông số quan trọng trong thiết kế bộ chuyển đổi công suất tĩnh nhằm tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi Bằng cách áp dụng phương pháp đa bậc, có thể giảm độ gợn dòng này thông qua việc giảm giá trị bước điện áp ngõ ra hoặc tăng tần số đóng ngắt biểu kiến ngõ ra (f ap).
3.1.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc:
Bộ nghịch lưu áp đa bậc đã được phát triển nhằm khắc phục những nhược điểm của bộ nghịch lưu áp hai bậc, và thường được áp dụng trong các hệ thống điện áp cao cũng như công suất lớn Những ưu điểm nổi bật của bộ nghịch lưu áp đa bậc bao gồm hiệu suất cao hơn và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.
Công suất của bộ nghịch lưu áp tăng, trong khi điện áp đặt trên các linh kiện giảm, dẫn đến tổn hao trong quá trình đóng ngắt cũng giảm theo Hơn nữa, thành phần sóng hài giảm so với bộ nghịch lưu áp 2 bậc.
- Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn
- Bộ nghịch lưu áp đa bậc có các dạng cấu hình cơ bản như sau:
Cấu hình nghịch lưu chứa cặp diode kẹp NPC
3.1.2.1 Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc:
Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp phổ biến bao gồm điều chế độ rộng xung (SH-PWM), điều khiển vector, khử sóng hài tối ưu và điều chế độ rộng xung cải biến Bộ nghịch lưu áp đa bậc chủ yếu được sử dụng cho tải công suất lớn, do đó việc giảm tần số đóng cắt và giảm shock điện áp dv/dt trên linh kiện công suất là rất quan trọng Các thuật toán điều khiển nhằm duy trì trạng thái cân bằng của các nguồn điện áp DC và khử hiện tượng điện áp common mode, nguyên nhân gây ra hiện tượng lão hóa sớm ở động cơ.
*** Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) [4] :
Phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
Sóng mang (carrirer signal) u p tần số cao;
Sóng điều khiển (reference signal) ur dạng sin
Tần số sóng mang cao giúp giảm lượng sóng hài bậc cao, nhưng đồng thời cũng gây ra tổn hao do tăng số lần đóng ngắt khóa Hơn nữa, các linh kiện yêu cầu thời gian đóng và cắt nhất định, điều này hạn chế việc lựa chọn tần số sóng mang.
Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn và tần số của hài cơ bản ngõ ra, trong đó: mf - tỉ số điều chế tần số: reference carrier f f m f
(3.2) m a - tỉ số điều chế biên độ: carrier m reference m a U m U
Nếu ma ≤ 1, tức là biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang, thì mối quan hệ giữa thành phần hài cơ bản của áp ra và áp điều khiển sẽ là tuyến tính Đối với bộ nghịch lưu áp một pha, biên độ áp pha hài cơ bản được xác định.
(3.4) Đối với bộ nghịch lưu áp 3 pha, biên độ áp pha hài cơ bản:
3.1.2.2 Bộ nghịch lưu áp 3 bậc dạng NPC:
Hình 3.3 mô tả cấu trúc của bộ nghịch lưu áp 3 bậc dạng diode kẹp, trong đó nhánh DC bao gồm hai nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp Điện áp pha – nguồn DC có thể đạt 3 trạng thái khác nhau: E, E/2, 0, -E/2 và -E Điện áp từ một pha tải được truyền đến vị trí bất kỳ thông qua cặp diode kẹp, do đó bộ nghịch lưu này được gọi là nghịch lưu dạng diode kẹp.
Mỗi pha của inverter bao gồm 4 IGBT và 2 diode kẹp, với điện áp pha a, b, c tương ứng với trạng thái đóng ngắt của các khoá IGBT Mỗi pha có 2 cặp khoá kết hợp đóng cắt đối nghịch, ví dụ như pha a có các khoá (S1, S3) và (S2, S4) Trong inverter dạng diode kẹp, các khoá kích đóng của một pha luôn nối tiếp kề nhau, trong khi các khoá còn lại kích theo quy tắc đối nghịch Điện áp pha, VAZ, phản ánh trạng thái đóng ngắt của các khoá IGBT.
Bảng 3.1: Trạng thái đóng ngắt của các khóa IGBT
Dạng sóng ra pha, dây của bộ Inverter nhƣ sau:
Hình 3.4: Dạng sóng pha, dây của bộ Inverter Giản đồ không gian điện áp đầy đủ các trạng thái redundant status:
Hình 3.5: Giản đồ vector không gian điện áp
Bộ chuyển đổi kiểu giảm áp DC-DC 3 bậc (3L) cung cấp 3 mức điện áp ở đầu ra của bộ lọc Điện áp DC cơ bản (Vdc) được chia thành 2 mức điện áp thứ cấp (Vdc/2) nhờ vào 2 tụ điện C1 và C2 được nối tiếp.
Bộ nghịch lưu 5L-ANPC-FC 1 pha
Bộ chuyển đổi 5L-ANPC-FC (hình 3.7) đƣợc tạo bởi sự liên kết của 2 bộ 3L-B và 3L-FC, có 2 phần điện áp phân tầng
Hình 3.7: Mạch công suất của bộ nghịch lưu 5L-ANPC-FC 1 pha
Phần điện áp cao (HV) sử dụng bộ 3L-B từ S1 đến S4, được điều khiển với tần số thấp LF Các khóa từ S1 đến S4 hoạt động với tần số thấp LF, được tạo ra bằng cách so sánh điện áp mẫu với giá trị zero, trong khi diode đối nghịch dẫn.
32 với tần số cao (f sw ) Phần điện áp thấp (LV) tương đương với bộ 3L-FC Tín hiệu cổng từ
S5 đến S8 được tạo ra bằng cách so sánh điện áp mẫu với 4 sóng mang (c1 đến c4), hoạt động ở tần số fsw và được giới hạn điện áp thấp LV bằng Vdc/4 Hệ thống này tạo ra điện áp ngõ ra với 5 bậc (5L) và tần số đóng ngắt biểu kiến gấp 2 lần tần số đóng ngắt, như đã trình bày trong kết quả mô phỏng, từ đó cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra.
Các thành phần của bộ lọc ngõ ra được giảm so với bộ 3L Trong trường hợp này, giá trị nhỏ nhất của cuộn cảm L0 đƣợc xác định bởi:
Bộ 5L-ANPC-FC là một khái niệm đa bậc với 8 trạng thái đóng ngắt, giúp phân bố cân bằng tổng tổn hao trong các thiết bị công suất Cấu trúc liên kết này mang lại giải pháp hiệu quả, đặc biệt trong việc tăng điện áp ngõ vào cho các ứng dụng điện áp trung bình, nhờ vào hai phần điện áp phân tầng.
Hình 3.8: Mô hình tạo xung đóng ngắt cho các khóa
Các khóa đóng ngắt từ S1 đến S4 được tạo ra bằng cách so sánh điện áp mẫu Vref với 0 và dẫn ở tần số thấp LF, trong khi diode đối nghịch dẫn ở tần số cao fsw Tín hiệu cổng từ S5 đến S8 được tạo ra bằng cách so sánh điện áp mẫu với 4 sóng mang (c1 đến c4) tại tần số đóng ngắt fsw = 500Hz, đồng thời dẫn ở tần số fsw và giới hạn điện áp thấp LV bằng Vdc/4.
Hình 3.9: Bộ nghịch lưu 5L-ANPC-FC 1 pha mô phỏng bằng Matlab
Hình 3.10: Điện áp mẫu, sóng mang
Hình 3.11: Tín hiệu xung các khóa từ S1 đến S4 (điện áp cao (HV))
Hình 3.12: Điện áp ngõ ra
Bộ nghịch lưu 5L_ANPC_FC 1 pha được mô phỏng với chỉ số điều chế (m) bằng 0.9, sóng mang tam giác đối xứng dịch 180 0 , tần số fsw = 500Hz và tải R = 10Ω, L = 1mH
Các thiết bị công suất phần điện áp cao HV được giới hạn điện áp Vdc/2 và điều khiển với tần số thấp LF, trong khi các thiết bị công suất phần điện áp thấp LV được điều khiển với tần số cao HF và giới hạn điện áp Vdc/4 Tất cả thiết bị công suất đều bị giới hạn bởi dòng tải (i0) Để đề xuất bộ chuyển đổi đa bậc, phần điện áp thấp LV (3L-FC) của bộ 5L-ANPC-FC được thay thế bằng cặp cuộn cảm 3 bậc (3L-CI).
Bộ nghịch lưu 5L-ANPC-CI 1 pha
Bộ nghịch lưu 1 pha 5L-ANPC-CI được cấu tạo dựa trên bộ 3L-B (S1 – S2, S3 – S4) điều khiển với tần số thấp LF, kết hợp với hai bộ 2L-B song song (S5 – S6, S7 – S8) điều khiển với tần số cao HF Mỗi điểm giữa của bộ 2L-B được kết nối với cặp cuộn dây (CI), tạo ra một pha cho bộ chuyển đổi mới Điện áp cung cấp cơ bản (Vdc) được chia thành hai điện áp dc thứ cấp (Vdc/2).
2 tụ điện C1 và C2 nối tiếp nhau Tất cả các thiết bị công suất đều đƣợc giới hạn bởi điện áp Vdc/2
Các kỹ thuật sắp xếp pha, sắp xếp pha đối ngịch (POD) và POD thay thế đã được phát triển nhằm điều khiển bộ chuyển đổi đa bậc, đặc biệt là bộ chuyển đổi 1 pha 5L-ANPC Những phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống chuyển đổi điện.
CI, một phương pháp POD tương đương được giới thiệu ở hình
Hình 3.14: Phương pháp PWM cho bộ 5L-ANPC-CI (a) Điện áp mẫu và sóng mang (b) Xung điều khiển cổng (c) Điện áp ngõ ra (d) Điều chế logic
Việc điều khiển các thiết bị công suất S1 đến S4 được thực hiện bằng cách so sánh điện áp mẫu với giá trị zero Các tín hiệu cổng từ S5 đến S8 được tạo ra thông qua việc so sánh module điện áp mẫu v_r với hai sóng mang c1 và c2, có sự dịch pha với chu kỳ đóng ngắt T_sw/2 Hình 3.14b mô tả các xung điều khiển cổng, hình 3.14c thể hiện điện áp ngõ ra, và hình 3.14d trình bày logic điều chế.
Bộ chuyển đổi 5L-ANPC-CI là 1 khái niệm đa bậc mới để truyền tải năng lƣợng Dựa vào tín hiệu điện áp mẫu, tìm được 2 mạch tương đương (hình 3.15)
Mạch từ tương đương của bộ 5L-ANPC-CI cho thấy khi điện áp mẫu dương (vr > 0), các công tắc S1 và S3 dẫn điện, trong khi S2 và S4 ngắt Điện áp đầu vào được áp dụng lên các bộ nghịch lưu song song với giá trị dương bằng Vdc/2 Điểm giữa của tụ C1 và C2 nối tiếp được kết nối với các khóa S6 và S8, tạo ra giá trị điện áp trung bình v10 và v20 có giá trị dương.
Khi vr < 0, các khóa S2 và S4 được đóng, trong khi S1 và S3 ngắt Điểm giữa của tụ C1 và C2 nối tiếp được kết nối với các khóa S5 và S7, với điều khiển PWM của S5 đến S8 bị đảo ngược Trong tình huống này, giá trị điện áp trung bình v10 và v20 sẽ có giá trị âm.
Phân tích cấu trúc từ tính tương đương lý tưởng không lưu trữ năng lượng cho thấy rằng điện áp trong cấu trúc từ tính tại bất kỳ thời điểm nào là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.
Do đó điện áp ngõ ra đƣợc cho bởi:
Hỗ cảm Lsu luôn tồn tại trong cấu trúc của bộ biến áp Bên cạnh đó, các bộ nghịch lưu không lý tưởng và điện áp DC thứ cấp V dc/2 được tạo ra bởi hai tụ điện C1.
C2 mắc nối tiếp nhau dẫn đến tổng điện áp tức thời v10 và v20 không hoàn toàn cố định, gây ra sự dao động điện áp tại ngõ ra.
Trong điều kiện lý tưởng mà không có sự lưu trữ năng lượng, việc sử dụng CI giúp phân chia dòng tải một cách cân bằng qua các khóa đóng ngắt tần số cao HF.
Dòng qua mỗi bộ nghịch lưu song song chỉ bằng nửa dòng tải, dẫn đến việc giảm đáng kể các khúa ở tần số cao HF (từ S5 đến S8) xuống còn 1/8 lần.
Cấu trúc này có đặc điểm nổi bật là tăng điện áp ngõ ra lên 5 bậc (5L) so với bộ 3L-ANPC Tần số đóng ngắt biểu kiến của điện áp ngõ ra gấp đôi tần số đóng ngắt, tức là sw = 2 * f.
(3.11) Điều này dẫn đến sự giảm tổn hao đóng ngắt trong các thiết bị công suất S5 đến S8, kích cỡ và giá trị của bộ lọc ngõ ra
Dòng ngõ ra bằng tổng dòng qua các cuộn dây cảm ứng (i1 và i2):
Cấu trúc 5L-ANPC-CI bao gồm hai phần dòng phân tầng, được điều khiển với nhiều tần số khác nhau Phần dòng cao HC được đặc trưng bởi bộ 3L-B, trong khi phần dòng thấp có những đặc điểm riêng biệt.
LC tương ứng với 2 bộ song song 2L-B với cặp cuộn dây CI
Hình 3.16: Mô hình tạo xung đóng ngắt của bộ 5L_ANPC_CI 1 pha
Các khóa S1 đến S4 được xác định thông qua việc so sánh trực tiếp điện áp mẫu với giá trị zero Trong khi đó, các khóa S5 đến S8 được tạo ra bằng cách so sánh module điện áp mẫu v_r với hai sóng mang c_1 và c_2, có độ dịch pha tương ứng với chu kỳ đóng ngắt T_sw/2.
Hình 3.17: Bộ nghịch lưu 5L-ANPC-CI 1 pha mô phỏng bằng Matlab
Hình 3.18: Điện áp mẫu, sóng mang
Hình 3.19: Tín hiệu xung các khóa từ S 1 đến S 4 (điện áp cao (HV))
Hình 3.20: Dạng đóng ngắt của khóa S 5
Hình 3.21: Dạng đóng ngắt của khóa S 7
Hình 3.22: Điện áp ngõ ra
Bộ nghịch lưu 5L_ANPC_CI 1 pha được mô phỏng với chỉ số điều chế (m) bằng 0.9, sóng mang tam giác đối xứng dịch 180 0 , tần số f sw = 500Hz và tải R = 10Ω, L = 1mH
Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp ngõ ra có 5 bậc, với dòng qua mỗi bộ nghịch lưu song song bằng nửa dòng tải Điều này dẫn đến việc dòng đóng ngắt và dòng dẫn cho các khóa ở tần số cao HF (S5 đến S8) giảm ẵ lần so với dòng ngắt của các khóa ở tần số thấp LF (S1 đến S4).
Các thiết bị công suất của phần dòng cao HC (S1 đến S4) bị giới hạn bởi dòng tải (i0) và được điều khiển với tần số thấp LF, chỉ phát sinh tổn hao dẫn Tổn hao đóng ngắt không đáng kể do các thiết bị này hoạt động với tần số điện áp mẫu (fr) Các diode đối song nhanh của S1 đến S4 chuyển mạch trong mỗi nửa chu kỳ tần số đóng ngắt, dẫn đến cả tổn hao dẫn và tổn hao đóng ngắt.
Bộ nghịch lưu 5L-ANPC-CI 3 pha
Bộ nghịch lưu 1 pha 5L-ANPC-CI là giải pháp đối xứng sử dụng nguồn DC thứ cấp với hai phần dòng phân tầng Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày bộ nghịch lưu 2 chiều 3 pha 5L-ANPC-CI, như minh họa trong hình 3.23.
Bộ chuyển đổi 3 pha 5L-ANPC-CI được điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian trung tâm (CSVPWM), mang lại cách tiếp cận tốt hơn để tối ưu hóa các vector trong mỗi T sw Điều chế POD có thể được mở rộng thành CSVPWM thông qua việc thêm độ lệch chế độ chung vào điện áp mẫu 3 pha v rA, v rB và v rC, trong đó độ lệch này bao gồm một thành phần sóng hài thứ 3.
2 rA rB rC rA rB rC rk rk v v v v v v v v
Trong bước thứ 2, điện áp mẫu v ' rk được chuyển thành 1 dãy sóng mang chung
[0,1] bằng cách sử dụng chức năng độ lớn sau:
(3.15) Với (a mod b) thu đƣợc phần dƣ của phép chia (a/b) Độ lệch thêm vào của điện áp mẫu chuyển đổi
V RK đảm bảo rằng hai vector không gian của dãy đóng ngắt được tập trung trong mỗi chu kỳ đóng ngắt Điện áp mẫu cuối cùng vrefk, bao gồm cả độ lệch, được xác định như sau:
2 2 rA rB rC rA rB rC k rk v v v v v v v v
Điều khiển các thiết bị công suất từ Sk1 đến Sk4 được thực hiện bằng cách so sánh trực tiếp điện áp mẫu v refk với giá trị zero Tín hiệu cổng điều khiển từ Sk5 đến Sk8 được tạo ra thông qua việc so sánh độ lớn điện áp mẫu v refk' với hai sóng mang tam giác (c1 và c2) có pha dịch sau nửa chu kỳ đóng ngắt (Tsw/2) Phương pháp này cho phép mỗi nhánh của bộ chuyển đổi có 8 trạng thái đóng ngắt khác nhau, bao gồm P1, P2, P3, O+, O-, N3, N2 và N1.
Bảng 3.2: Trạng thái đóng ngắt của bộ 5L-ANPC-CI khi vrefk > 0
Bảng 3.3: Trạng thái đóng ngắt của bộ 5L-ANPC-CI khi vrefk < 0
Khi vrefk > 0, S k1 và S k3 dẫn, trong khi S k2 và S k4 ngắt, tạo ra trạng thái đóng ngắt P1, P2, P3, và O + Ngược lại, khi vrefk < 0, các trạng thái còn lại O - , N3, N2, và N1 được thu nhận, với Sk2 và Sk4 dẫn, còn Sk1 và Sk3 ngắt.
Mỗi bộ nghịch lưu song song có hai trạng thái hoạt động, giúp loại bỏ thời gian chết Khi điều khiển các thiết bị công suất Sk5 và Sk6, tương ứng với Sk7 và Sk8, cần bổ sung tần số đóng ngắt trong toàn bộ chu kỳ.
Phương pháp PWM cho các thiết bị này được đảo ngược sau mỗi nửa chu kỳ, dựa vào tín hiệu của điện áp mẫu vrefk Do đó, mỗi nhánh của bộ chuyển đổi có 8 trạng thái topo khác nhau.
Trạng thái tô pô tương đương của bộ 5L-ANPC-CI thể hiện qua các trạng thái đóng ngắt đặc trưng, tạo ra 5 cấp điện áp riêng biệt là V dc /2, V dc /4, 0, -V dc /4, và -V dc /2 Một số trạng thái như P2 – P3 và N2 – N3 xuất hiện trong mỗi nửa chu kỳ Do đó, tần số đóng ngắt biểu kiến (fap) của điện áp pha ngõ ra gấp 2 lần tần số đóng ngắt (fsw).
Giá trị điện áp trung bình của cuộn dây dẫn cần bằng 0 trong mọi trạng thái tô pô của bộ chuyển đổi để ngăn chặn sự bão hòa của CI và giảm thiểu sự mất cân bằng dòng qua cuộn dây Điện áp trong cấu trúc từ tính (vLs và vLu) được xác định thông qua phân tích các trạng thái tô pô tương đương không lưu trữ năng lượng, như trình bày trong bảng 3.2 và 3.3.
Bộ nghịch lưu 5L-ANPC-CI 3 pha được mô phỏng bằng Matlab với điện áp Vdc = 800V, được phân áp một cách cân bằng nhờ vào hai tụ điện C1 và C2 có giá trị 3000µF Quan sát cho thấy có sự thay đổi nhỏ ở các cấp điện áp cao và thấp do ảnh hưởng của các tụ ngõ vào.
Hình 3.26: Mô hình tạo ra tín hiệu g
47 Hình 3.27: Mô hình tạo ra tín hiệu điều khiển cho các khóa đóng ngắt
Hình 3.28: Khối chức năng funtion1 tạo ra điện áp mẫu v refk
Hình 3.29: Mô hình thêm common mode offset vào điện áp mẫu 3 pha v rA , v rB và v rC
Hình 3.30: Mô hình điện áp mẫu cuối cùng vrefk , bao gồm độ lệch thêm vào của điện áp mẫu chuyển đổi
49 Hình 3.31: Mô hình tạo ra xung kích cho các khóa của 3 pha (khối funtion2)
Hình 3.32: Mô hình tạo ra xung kích cho các khóa của pha A (khối Subsystem)
Điện áp mẫu cuối cùng vrefk được đưa vào các khối Subsystem tương ứng với mỗi pha để so sánh với giá trị zero, nhằm điều khiển các khóa đóng ngắt từ Sk1 đến Sk4 Đồng thời, quá trình này cũng thực hiện so sánh độ lớn của điện áp mẫu.
' v refk với 2 sóng mang tam giác (c1 và c2) dịch pha sau nửa chu kì đóng ngắt (Tsw/2) để điều khiển các khóa đóng ngắt từ Sk5 đến Sk8
Ls = Lu = 1mH, Lsu = 0.9mH,
Chỉ số điều chế m = 1, tần số đóng cắt f sw = 1500Hz:
Hình 3.33: Tạo tín hiệu đóng ngắt cho các khóa
Hình 3.34: Điện áp dây V AB ngõ ra
Hình 3.35: Điện áp common mode VNO
Bài viết trình bày kết quả mô phỏng cho bộ chuyển đổi 3 pha 5L-ANPC-CI sử dụng phương pháp CSVPWM Điện áp dây ngõ ra (vAB) có 9 bậc với giá trị bước Vdc/4, trong khi điện áp common mode (vN0) có 5 bậc với giá trị bước Vdc/12.
Chỉ số điều chế m = 1, tần số đóng cắt f sw = 8000Hz:
Hình 3.36: Điện áp pha ngõ ra V AN
Dòng điện i A của pha A và dòng i 1A trong cuộn dây của pha A cho thấy điện áp pha (vAN) có 15 bậc, với mỗi bậc điện áp có giá trị V dc /12 Dòng điện trên mỗi cuộn dây tương ứng với điện áp của từng pha.
Hình 3.38: Phân tích FFT cho điện áp pha ngõ ra VAN khi m = 1
Hình 3.39: Phân tích áp pha ngõ ra V AN và dòng qua pha A, dòng qua mỗi cuộn dây
Chỉ số điều chế m = 0.95, tần số đóng cắt f sw = 8000Hz:
Chỉ số điều chế m = 0.9, tần số đóng cắt f sw = 8000Hz:
Chỉ số điều chế m = 0.8, tần số đóng cắt f sw = 8000Hz:
Chỉ số điều chế m = 0.5, tần số đóng cắt f sw = 8000Hz:
Chỉ số điều chế m = 0.1, tần số đóng cắt f sw = 8000Hz:
Hình 3.40: Phân tích FFT cho điện áp pha ngõ ra V AN khi m = 0,1
Qua nhiều lần mô phỏng với các chỉ số điều chế khác nhau, chúng ta nhận thấy sự biến đổi rõ rệt của dạng sóng điện áp và dòng điện pha khi chỉ số điều chế giảm từ m = 1 xuống m = 0,1 Cụ thể, khi m = 0,1, tổng độ méo hài (THD) của điện áp pha tăng gần gấp 10 lần so với m = 1, trong khi dòng điện pha cũng xuất hiện sự nhấp nhô đáng kể Bên cạnh đó, giá trị hiệu dụng cũng giảm mạnh Bảng 3.4 cung cấp phân tích chi tiết về các giá trị hiệu dụng của điện áp pha, tỷ lệ phần trăm THD tổng và các hài bậc cao từ bậc 3 đến bậc 11.
Giá trị hiệu dụng áp pha
Tỉ lệ sóng hài các bậc cao (%)
1 282.9 28.94 0.01 0.01 0.05 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.06 0.01 0.05 0.95 268.7 31.44 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.01 0.02 0.01 0.01 0.9 254.7 33.44 0.01 0.01 0.02 0.01 0.05 0.01 0.02 0.01 0.07 0.01 0.06 0.8 226.1 35.5 0.01 0.01 0.03 0.01 0.03 0.01 0.03 0.01 0.01 0.01 0.07 0.7 197.7 35.77 0.01 0.02 0.03 0.02 0.19 0.02 0.17 0.02 0.06 0.02 0.14 0.6 169.3 45.3 0.01 0.02 0.03 0.02 0.18 0.02 0.14 0.02 0.05 0.02 0.18 0.5 140.8 57.32 0.01 0.02 0.08 0.02 0.24 0.02 0.27 0.02 0.04 0.02 0.33 0.4 112.9 73.48 0.01 0.03 0.12 0.03 0.22 0.03 0.12 0.03 0.09 0.03 0.25 0.3 84.84 100.92 0.02 0.03 0.25 0.03 0.1 0.03 0.02 0.03 0.17 0.03 0.12 0.2 56.49 140.78 0.03 0.05 0.12 0.05 0.14 0.05 0.09 0.05 0.25 0.05 0.02 0.1 28.27 220.73 0.05 0.1 0.32 0.1 0.19 0.1 0.3 0.1 0.06 0.1 0.13 Bảng 3.4: Phân tích giá trị áp pha, tỉ lệ THD tổng và các sóng hài bậc cao
Hình 3.41: Quan hệ giữa m và áp pha hiệu dụng V
Dựa vào đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tỉ số điều biên m và giá trị hiệu dụng áp pha V, có thể thấy rằng m có sự tương quan gần như tuyến tính với V Khi m giảm nhanh, áp pha cũng giảm tương ứng, dẫn đến việc giảm số bậc điện áp và làm tăng mức độ nhiễu.
Chương 4: ỨNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU 5L_ANPC_CI KẾT LƯỚI
HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Giới thiệu mô hình hệ thống pin Mặt Trời ứng dụng:
Mô hình pin năng lƣợng Mặt Trời
Mô hình ứng dụng hệ thống pin Mặt Trời kết lưới xoay chiều sử dụng bộ nghịch lưu 5L_ANPC_CI hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng từ nguồn pin năng lượng Mặt Trời thông qua bộ BuckBoost IncCond MPPT để đạt công suất tối đa Sau đó, bộ nghịch lưu 5L_ANPC_CI sẽ biến đổi năng lượng này thành điện xoay chiều, hòa vào lưới điện qua bộ lọc L_filter Đồng thời, tín hiệu điện áp và dòng điện sau bộ lọc được thu thập để điều khiển trạng thái đóng ngắt của các khóa trong bộ 5L_ANPC_CI, nhằm đạt được điện áp lưới và dòng công suất phản kháng yêu cầu từ bộ điều khiển.
4.1 Mô hình pin năng lượng Mặt Trời:
4.1.1 Mô hình toán của pin Mặt Trời:
Hình 4.3: Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện
I: dòng điện phát ra tức thời của một tế bào quang điện
Iph: dòng quang điện qua diode
Ip: dòng quang điện qua điện trở RP
Iph_ref : dòng quang điện kiểm tra ở điều kiện chuẩn (STC) Điều kiện chuẩn là ứng với Sref = 1000 W/m2 với AM 1.5 và T ref = 250C
T: nhiệt độ tức thời của tế bào quang điện
S: bức xạ mặt trời tức thời α: hệ số nhiệt độ - dòng điện
Id: dòng điện qua diode
I 0 : dòng điện bão hoà của diode Dòng điện bão hoà của diode thì phụ thuộc vào nhiệt độ của tế bào quang điện q: điện tích electron (q=1.6e -19 ) k: hằng số Boltzman (k=1.38e -23 )
Rs: điện trở nối tiếp
: dòng điện bão hoà của diode ở nhiệt độ Tref
V g : điện áp bandgrad của vật liệu (Vg = 1.12 ứng với vật liệu Silicon)
(4.5) Trong đó: : dòng điện ngắt mạch
Giá trị R p thường rất lớn, do đó giá trị I p có thể bị bỏ qua Dòng điện phát ra từ một tế bào pin quang điện được tính theo công thức.
4.1.2 Mô phỏng pin Mặt Trời trên Matlab/Simulink:
Các chương trình tính toán dòng điện và điện áp pin được áp dụng theo phương pháp Newton-Ralphson
Phương pháp Newton-Raphson là một kỹ thuật hiệu quả để giải quyết các hệ phương trình phi tuyến Phương pháp này dựa trên việc lặp lại tính toán để tuyến hoá ma trận Jacobian xung quanh điểm khởi đầu Ví dụ, nếu tập hợp hám tuyến tính hoá có dạng
Trong đó ý và x là những vector N chiều, còn f(x) là vector hàm N chiều Phương trình trên đƣợc viết lại:
Thêm vào Dx hai vế của phương trình, với D là ma trận NxN có thể nghịch đảo:
Nhân tiếp 2 vế cho D -1 x = x + D -1 [y – f(x)] (4.11) Phương trình trên chính là cơ sở cho phép lặp lại D sẽ được xác định dựa trên cơ sở khai triển Taylor của y quanh điểm x 0 :
Bỏ đi những biểu thức bậc cao, phương trình trở thành:
Phép lặp theo từng bước được mô tả bằng công thức x(i + 1) = x(i) + J -1(i)(y – f(x(i))) Để mô hình hoá PV, phương pháp Newton-Raphson sẽ được áp dụng, trong đó phương trình (3.8) sẽ được giải lặp để tính toán (I PV, V PV) Khi điều kiện môi trường thay đổi, các tham số I0 sẽ được tính lại theo phương trình (3.4) Quá trình lặp sẽ tiếp tục để cập nhật phương trình (3.8) Dưới đây là đoạn code Matlab thực hiện phép tính này 5 lần.
I(1) = IL/5; for i=1:4 f = I(i) + I0*(exp(q/A/k/T*(Vpv_cell + Rs*I(i))) – 1);
J = 1 +I0*q/A/k/T*Rs*exp(p/A/k/T*(Vpv_cell + Rs*I(i))); epsilon = (IL – f)/J;
Pin sử dụng trong mô phỏng Matlab/Simulink đựa vào thông số của pin BP Solar
SX 3200 Các tế bào PV của BP Solar đƣợc chế tạo từ multicrysalline silicon
Bảng 4.1: Thông số pin Mặt Trời SX3200 của BP Solar
4.1.2.2 Mô hình mô phỏng pin Mặt Trời bằng Matlab:
Hình 4.4: Mô hình mô phỏng pin Mặt Trời bằng Matlab
G : bức xạ Mặt Trời (kW/m 2 ) (Sun-full: G = 1kW/m 2 ) t : nhiệt độ của pin Mặt Trời
Ns : số pin mắc nối tiếp
Np : số pin mắc song song
Voc = 20V : điện áp hở mạch của pin
Isc = 5A : dòng ngắn mạch của pin
Hình 4.5: Mô hình khối Photovoltaic
Đặc tuyến pin Mặt Trời cho thấy công suất cực đại gần đạt 80W, với điện áp khoảng 16V và dòng điện cung cấp khoảng 4,5A.
Hình 4.7: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời nối tiếp
67 Hình 4.8: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời song song
Hình 4.9: Đặc tuyến 4bộ (8 pin Mặt Trời) song song nối tiếp
Bộ BuckBoost IncCond MPPT
Hệ thống pin Mặt Trời sử dụng bộ Buck – Boost và giải thuật cải tiến IncCond (được nêu ở chương 2) để tìm điểm công suất cực đại PMPP
Mô hình Buck-Boost sử dụng giải thuật IncCond trong MPPT cho phép xác định điện áp Vref dựa trên tín hiệu điện áp và dòng điện đo được từ hệ thống nguồn pin Mặt Trời.
VMPP là điểm mà hệ thống đạt công suất tối đa Tín hiệu điện áp từ nguồn pin Mặt Trời được so sánh với tín hiệu điện áp Vref đã xác định để điều khiển việc đóng ngắt IGBT.
…để cấp nguồn cho tụ điện C (5mF)
Hình 4.11: Khóa đóng ngắt điều khiển bộ Buck-Boost
Bộ lọc và đồng bộ lưới điện
Việc đưa năng lượng từ hệ thống PV vào lưới được thực hiện bởi bộ biến đổi DC-
Bộ lọc thường được kết nối giữa bộ biến đổi DC-AC và lưới điện nhằm mục đích lọc sóng hài và hạn chế công suất phản kháng đưa vào lưới Các loại bộ lọc phổ biến bao gồm bộ lọc L, LC và LCL, trong đó bộ lọc LC và LCL có thông số nhỏ hơn và đáp ứng nhanh hơn so với bộ lọc L, nhưng việc điều khiển chúng lại phức tạp hơn Luận văn này tập trung vào việc sử dụng bộ lọc L để lọc sóng hài từ bộ biến đổi DC-AC.
Hình 4.12: Mô hình bộ lọc 3 pha L
Có 2 phương pháp đồng bộ lưới điện:
Phát hiện điểm không (ZCD)
4.3.2.1 Phát hiện điểm không (ZCD):
Hình 4.13: Phát hiện điểm không
Sơ đồ mạch và dạng sóng điện áp của ZCD cho thấy đường màu đen biểu thị điện áp V1 tương ứng với điện áp lưới điện, trong khi đường màu hồng là điện áp V2 tương ứng với dạng sóng điện áp phát hiện được Mỗi khi điện áp lưới đi qua điểm zero, ngõ ra V2 lại thay đổi trạng thái, cho phép xác định góc phase của lưới điện thông qua dạng sóng V2 Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm trong việc theo dõi và phân tích điện áp.
Thực hiện mạch đơn giản
Lưới điện thường gặp phải nhiều nhiễu và mất cân bằng, dẫn đến việc điểm zero bị vượt qua nhiều lần liên tục Điều này làm cho dạng sóng điện bị sai lệch, gây ra sự mất cân bằng trong hệ thống và tăng nguy cơ hư hỏng do hiện tượng hòa lưới không đồng bộ.
4.3.2.2 Vòng khóa phase (PLL): a) Cơ bản về PLL(Phase locked loop) :
PLL là một kỹ thuật phổ biến trong quân sự, hàng không vũ trụ và hệ thống điện tử, cho phép đồng bộ hóa với các sự kiện bên ngoài thông qua thông tin phản hồi Các khối cơ bản của PLL đảm bảo sự chính xác và ổn định trong quá trình hoạt động.
Khối phase detector (PD) trong sơ đồ các khối cơ bản của PLL có chức năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ thuận với sự khác biệt giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào.
Bộ lọc vòng (LF) có chức năng loại bỏ các thành phần xoay chiều tần số cao từ bộ so sánh pha (PD), thường được thiết kế dưới dạng bộ mạch lọc thông thấp hoặc bộ điều khiển PI.
Voltage control oscillator: khối này tạo ra một điện áp xoay chiều cho tần số phụ thuộc vào điện áp ở ngõ vào
Hình 4.15: Khối hòa đồng bộ lưới PLL – Data Process được sử dụng trong mô hình mô phỏng
Mô hình chuyển đổi tín hiệu abc sang dq trong khối PLL cho phép chuyển đổi các tín hiệu điện áp và dòng điện từ hệ trục tọa độ abc xoay chiều sang hệ tọa độ vuông góc dq0 Việc này giúp điều khiển độc lập giá trị dòng điện tác dụng và dòng điện phản kháng.
4.3.3 Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha:
Hình 4.17: Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha
Hình 4.18: Mô hình tạo điện áp xoay chiều sin cho từng pha
Khi áp dụng giá trị điện áp lưới Vm = 310V và tần số f = 50Hz, cùng với các góc pha lệch nhau 2pi/3, chúng ta sẽ tạo ra mô hình nguồn điện áp xoay chiều 3 pha cân bằng.
4.3.4 Điều khiển bộ nghịch lưu 5L_ANPC_CI:
Mô hình tạo tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu 5L_ANPC_CI:
Khối Controller chịu trách nhiệm tạo ra tín hiệu điều khiển cho các khóa, với áp điều khiển được hình thành thông qua phương pháp điều khiển vectơ dòng điện.
Hình 4.20: Áp điều khiển được tạo ra bằng phương pháp điều khiển vectơ dòng điện trong hệ tọa độ quay
Phương pháp điều khiển vectơ dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh PI trong hệ tọa độ quay với vận tốc bằng vận tốc sóng hài cơ bản Trong hệ tọa độ quay tần số đồng bộ, vectơ của đại lượng ba pha hài cơ bản sẽ đứng yên, và các thành phần vectơ id, iq sẽ trở thành đại lượng một chiều.
Các khâu hiệu chỉnh PI trong khối điều khiển dòng Coupling sẽ điều chỉnh sai số của các thành phần một chiều (hài cơ bản) để đạt được trạng thái triệt tiêu Tín hiệu ngõ ra của quá trình hiệu chỉnh sẽ được tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất hệ thống.
PI là các thành phần điện áp cần thiết trong hệ tọa độ d-q Vectơ điện áp này được chuyển đổi sang vectơ điện áp trong hệ tọa độ abc và sau đó được sử dụng để tạo ra tín hiệu điều khiển theo công thức tính chỉ số điều chế biên độ đã được trình bày trong phần 3.1.2.1.
Hình 4.21: Khối Coupling current control xác định giá trị Vd, Vq
Hệ pin Mặt Trời gồm 2 dãy song song, mỗi dãy 40 pin nối tiếp (80 pin, công suất khoảng 80 x 72W = 5,8kW), G = 1kW/m 2 , R = 5Ω:
75 Hình 4.22: Dạng sóng Va_Ia; I_filter; I_Grid_supply; và Udc
Sau gian 0,6s mô hình đạt ổn định:
Udc đạt giá trị đặt 650V;
Dòng Ia từ bộ nghịch lưu qua bộ lọc và áp pha A (áp lưới) cùng pha => Hòa lưới thành công (tải trở R = 5Ω):
Hình 4.23: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (80 pin)
Hình 4.24: Điện áp sau bộ nghịch lưu (80 pin)
Hình 4.25: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (80 pin)
Hình 4.26: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (80 pin)
Do tải có công suất lớn:
Dòng tải I được tính bằng công thức I = U/R, với U là điện áp 310V và R là điện trở 5Ω, cho ra kết quả 62A Điều này cho thấy cả pin Mặt Trời và lưới điện đều cung cấp năng lượng cho tải Đặc biệt, dòng điện 3 pha sau bộ lọc và lưới điện cùng pha, tạo ra tổng dòng điện khoảng 62A, bao gồm 50A từ lưới và 12A từ pin Mặt Trời.
Hệ pin Mặt Trời gồm 4 dãy song song, mỗi dãy 40 pin nối tiếp (160 pin, công suất khoảng 160 x 72W = 11,5kW), G = 1kW/m 2 , R = 5Ω:
Hình 4.27: Dạng sóng Va_Ia; I_filter; I_Grid_supply; và Udc (160 pin)
Sau 0,3 giây, mô hình đạt trạng thái ổn định, nhanh hơn so với mô hình 2 dãy song song với mỗi dãy gồm 40 pin nối tiếp Điều này cho thấy rằng khi công suất pin tăng, khả năng ổn định cũng nhanh chóng được cải thiện.
Udc đạt giá trị đặt 650V;
Dòng Ia từ bộ nghịch lưu và áp pha A (áp lưới) cùng pha => Hòa lưới thành công (do tải trở)
Hình 4.28: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin)
Hình 4.29: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin)
Hình 4.30: Phân tích phổ của điện áp sau bộ nghịch lưu
Do tải có công suất lớn nên pin Mặt Trời và lưới đều cung cấp cho tải
Hình 4.31: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin)
Hình 4.32: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (160 pin)
Hệ pin Mặt Trời gồm 4 dãy song song, mỗi dãy 40 pin nối tiếp (160 pin), G = 0,5 kW/m 2 , R = 5Ω:
Hình 4.33: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, G = 0,5)
Hình 4.34: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, G = 0,5)
Hình 4.35: Phân tích phổ của điện áp sau bộ nghịch lưu
Do tải lớn nên cả bộ nghịch lưu và lưới đều cung cấp cho tải
Hình 4.36: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, G = 0,5)
Hình 4.37: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (160 pin, G = 0,5) Dựa vào cỏc dạng đồ thị, ta thấy khi cường độ bức xạ Mặt Trời giảm xuống ẵ lần
(G = 0,5 kW/m 2 ), dũng điện do pin Mặt Trời cấp vào hệ thống cũng giảm ẵ lần (khoảng
Khi công suất pin Mặt Trời giảm, lưới điện 3 pha cần bù đắp công suất bị hao hụt, dẫn đến dòng điện lưới 3 pha tăng lên khoảng 50A để cung cấp cho tải R.
Hệ pin Mặt Trời gồm 4 dãy song song, mỗi dãy 40 pin nối tiếp (160 pin), G = 1kW/m 2 ,
Hình 4.38: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, R = 20Ω)
Hình 4.39: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, R = 20Ω)
Hình 4.40: Phân tích phổ của điện áp sau bộ nghịch lưu
Hình 4.41: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, R = 20Ω)
Hình 4.42: Dạng dòng điện 3 pha của lưới (160 pin, R = 20Ω)
Do tải có công suất nhỏ hơn hệ pin Mặt Trời:
