Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500W

Chia sẻ: Xylitol Extra | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:111

Thêm vào BST

Báo xấu

127
lượt xem 38
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Để hệ thống điện mặt trời thực sự thân thiện với môi trường, giảm chi phí, tăng tuổi thọ của hệ thống thì cần phải loại bỏ các bộ ắc quy dùng để trữ điện ra khỏi hệ thống chính vì thế nhóm chúng em đề xuất đề tài “Nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500W”. Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC nên điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời. Do đó điện áp và công suất ngõ ra không ổn định. Vì vậy, trong nghiên cứu này, nhóm đề xuất thực hiện cải tiến bằng cách đưa thêm bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC) để tăng điện áp đưa vào nghịch lưu nhằm tránh phải mắc nối tiếp nhiều tấm pin đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500W

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG SUẤT NHỎ HƠN 500W GVHD: TS. QUÁCH THANH HẢI SVTH: Lê Cao Ngọc Phúc 16341019 Bùi Thành Đạt 16341008 Tp. Hồ Chí Minh - 1/2018
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG SUẤT NHỎ HƠN 500W GVHD: TS. QUÁCH THANH HẢI SVTH: Lê Cao Ngọc Phúc 16341019 Bùi Thành Đạt 16341008 Tp. Hồ Chí Minh - 1/2018 i
TRƯỜNG ĐH.SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp.HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Cao Ngọc Phúc MSSV:16341019 Bùi Thành Đạt MSSV:16341008 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 3 Khóa: 2016 Lớp: 163410A I. TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG SUẤT NHỎ HƠN 500W”. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Các tài liệu và thông số cần thiết về bộ nghịch lưu, điều chế PWM, mạch DC-DC và nguyên lý đồng bộ lưới điện… 2. Nội dung thực hiện: Nội dung 1: Phân tích Bộ nghịch lưu 1 pha PWM sử dụng bán dẫn công suất Nội dung 2: Nghiên cứu bộ biến đổi điện áp một chiều. Nội dung 3: Thiết kế mạch nghịch lưu 1 pha. Nội dung 4: Thiết kế bộ tăng áp DC/DC. Nội dung 5: Lập trình điều khiển. Nội dung 6: Chạy thử nghiệm, đánh giá kết quả và khắc phục sự cố. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/10/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/1/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. QUÁCH THANH HẢI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH Tp.HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Bùi Thành Đạt Lớp: 163410A MSSV: 16341008 Họ tên sinh viên 2: Lê Cao Ngọc Phúc Lớp: 163410A MSSV: 16341019 Tên đề tài: Nghiên Cứu Nghịch Lưu Hòa Lưới Điện Mặt Trời Công Suất Nhỏ Hơn 500W. Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD 1, 2 & 3 Tìm và đọc hiểu các tài liệu liên quan: Tài liệu điện tử công suất (linh kiện bán dẫn, nguyên lí mạch boots điện áp, nghịch lưu 1 pha) 4, 5 & 6 Mô phỏng mạch boots điện áp đơn giản. Tìm hiểu tạo xung PWM. 7 &8 Thiết kế sơ đồ nguyên lí mạch boots DC-DC. Thiết kế sơ đồ nguyên lí nghịch lưu cầu 1 pha. Lập trình mô phỏng. 9 & 10 Thiết kế sơ đồ nguyên lí cho các khối cần thiết (mạch nguồn ±15VDC, hồi tiếp…) Tìm hiểu mạch kích và cách ly. 10 & 11 Thi công board mạch, kết nối linh kiện và các khối lại với nhau. Tìm hiểu Card điều khiển DSP TMS320F28335. 12 & 13 Chạy thử nghiệm hệ thống. Kiểm tra sai sót. Viết báo cáo. 14 & 15 Chạy hệ thống lấy kết quả thực nghiệm. Viết báo cáo. Bảo vệ đồ án GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iii
LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của TS. Quách Thanh Hải. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong đề tài là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018 Người thực hiện đề tài Bùi Thành Đạt Lê Cao Ngọc Phúc iv
LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Quách Thanh Hải – Các Thầy, Cô bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Phòng thí nghiệm D405 đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm chúng em hoàn thành tốt đề tài. Do kiến thức còn hạn chế nên có nhiều thiếu sót, trong quá trình nghiên cứu đề tài được Thầy chỉ dạy những chỗ thiếu sót, chia sẻ kinh nghiệm của mình khi nhóm gặp vấn đề trong thực nghiệm. Em xin cảm ơn thầy. Em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện – Tử đã hỗ trợ phòng thí nghiệm Điện tử công suất D405 tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn cùng lớp 163410A đã chia sẽ trao đổi kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Trong quá trính nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, nhóm hy vọng sẽ nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ thầy cô, bạn bè và những người quan tâm để đề tài được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài LÊ CAO NGỌC PHÚC BÙI THÀNH ĐẠT v
MỤC LỤC Trang bìa ........................................................................................................................ i Nhiệm vụ đồ án .............................................................................................................. ii Lịch trình ....................................................................................................................... iii Cam đoan ...................................................................................................................... iv Lời cảm ơn ...................................................................................................................... v Mục lục .......................................................................................................................... vi Liệt kê hình vẽ............................................................................................................... vii Liệt kê bảng vẽ ............................................................................................................ viii Tóm tắt ......................................................................................................................... ix CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU ......................................................................................................... 3 1.3 NỘI DỤNG THỰC HIỆN .................................................................................. 3 1.4 GIỚI HẠN .......................................................................................................... 4 1.5 BỐ CỤC ............................................................................................................. 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 5 2.1 NGUYÊN TẮC NGHỊCH LƯU MỘT PHA ..................................................... 5 2.1.1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi .................................................................... 5 2.1.2 Sơ đồ nửa cầu .............................................................................................. 6 2.1.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ phận nghịch lưu áp ......................................................... 8 2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG PWM ..................................................... 8 2.2.1 Mô tả kĩ thuật PWM .................................................................................... 8 2.3 TẠO XUNG PWM DỰA TRÊN PHẦN MỀM ............................................... 11 2.4 BIẾN ĐỒI DC-DC TĂNG ÁP ......................................................................... 12 2.4.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 12 2.5 NGUYÊN LÝ ĐỒNG BỘ LƯỚI ..................................................................... 14 vi
2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................ 14 2.6.1 Pin năng lượng mặt trời ............................................................................. 14 2.6.2 Các linh kiện phục vụ nghịch lưu ............................................................. 15 2.6.3 Mạch kích .................................................................................................. 17 2.6.4 Card DSP 320F28335- Thiết bị xử lý trung tâm ....................................... 19 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. .......................................................... 22 3.1 GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 22 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..................................................... 22 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ..................................................................... 22 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ........................................................................ 23 3.3 KẾT NỐI PHẦN CỨNG .................................................................................. 41 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................. 42 4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................. 42 4.2 GIÁ ĐỠ PIN MẶT TRỜI ................................................................................. 43 4.3 THI CÔNG CÁC KHỐI MẠCH ĐIỆN ........................................................... 43 4.3.1 Mạch nguồn ±15VDC .............................................................................. 44 4.3.2 Mạch nguồn 5VDC ................................................................................... 45 4.3.3 Mạch kích .................................................................................................. 46 4.3.4 Mạch đo ..................................................................................................... 48 4.3.5 Mạch boost điện áp từ pin mặt trời ........................................................... 50 4.3.6 Mạch nghịch lưu cầu ................................................................................. 52 4.4 LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ............................................................................... 53 4.4.1 Mạch boost điện áp DC-DC ...................................................................... 53 4.4.2 Mạch nghịch lưu cầu ................................................................................. 56 4.4.3 Lập trình tạo tín hiệu đồng bộ ................................................................... 60 4.5 KẾT NỐI CÁC KHỐI CHƯƠNG TRÌNH VÀ PHẦN CỨNG ....................... 62 4.6 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN ................................................................................ 63 4.6.1 Tạo file CCS và nạp code cho vi điều khiển ............................................. 63 4.6.2 Quy trình thao tác chạy hệ thống .............................................................. 65 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ............................................ 66 5.1 NGUYÊN TẮC MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ..................................... 66 vi
5.2 ĐIỀU KIỆN MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ............................................ 66 5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM PIN MẶT TRỜI ................... 66 5.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM MẠCH BOOST DC-DC ...... 67 5.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU .. ................................................................................................................................ 76 5.6 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM GIẢI THUẬT TẠO ĐIỆN ÁP ............... 82 5.7 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 84 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ...................................... 85 6.1 KẾT LUẬN. ..................................................................................................... 85 6.1.1 Các vấn đề đã thực hiện được. .................................................................. 85 6.1.2 Các vấn đề chưa thực hiện được. .............................................................. 85 6.1.1 Nguyên nhân. ............................................................................................ 85 6.2 CÁC KẾT LUẬN KHOA HỌC RÚT RA ....................................................... 86 6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 89 PHỤ LỤC…… ........................................................................................................... 90 vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Trang Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nửa cầu dùng nguồn đôi................................................ 5 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu.................................................................................. 6 Hình 2.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu áp ........................................................................ 8 Hình 2.4 Mạch điều chế PWM ......................................................................................... 9 Hình 2.5 Điện áp điều khiển (Vsin), điện áp sóng mang và điện áp trên tải với cấu hình nghịch lưu nửa cầu............................................................................................................. 10 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý tạo xung PWM trong PSIM.................................................. 11 Hình 2.7 Dạng sóng PWM ngõ ra .................................................................................. 11 Hình 2.8 Mạch tăng áp DC-DC ...................................................................................... 12 Hình 2.9 Mạch ở trạng thái Switch S đóng .................................................................... 12 Hình 2.10 Mạch ở trạng thái Switch S mở ....................................................................... 13 Hình 2.11 Mô hình hòa lưới từ pin mặt trời ...................................................................... 14 Hình 2.12 BJT, MOSFET và IGBT.................................................................................. 15 Hình 2.13 Cấu trúc của IGBT........................................................................................... 16 Hình 2.14 Hình ảnh thực tế và ký hiệu IGBT FGA25N120 ............................................ 17 Hình 2.15 Card DSP TMS320F28335.............................................................................. 19 Hình 2.16 Giao diện khởi động Code Composer Studio .................................................. 19 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................... 23 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu áp cầu 1 pha .............................................. 24 Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch kích ...................................................................................... 27 Hình 3.4 Phần mạch lái cho IGBT nhánh trên ............................................................... 27 Hình 3.5 Chiều dòng điện khi ghép nối quang OK1 dẫn ............................................... 28 Hình 3.6 Chiều dòng điện khi ghép nối quang OK2 dẫn ............................................... 29 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lí mạch DeadTime .................................................................... 30 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí mạch kích .............................................................................. 31 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý nguồn 5VDC ........................................................................ 32 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ± 15VDC.......................................................... 33 Hình 3.11 Mạch DC-DC tăng áp ...................................................................................... 34 Hình 3.12 Mạch hoạt động khi Switch mở ....................................................................... 34 Hình 3.13 Mạch hoạt động khi Switch đóng .................................................................... 35 Hình 3.14 Mạch lọc LC .................................................................................................... 36 Hình 3.15 Giá trị THD ở ngõ ra nghịch lưu ..................................................................... 37 Hình 3.16 Dạng sóng điện áp hồi tiếp mong muốn .......................................................... 37 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp pin mặt trời. ................................................... 38 Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp điện áp DC-DC .............................................. 39 Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến điện áp lưới T1,T2 ...................................... 40 vii
Hình 3.20 Sơ đồ phần cứng hệ thống ............................................................................... 41 Hình 4.1 Pin mặt trời cung cấp nguồn cho thực nghiệm ................................................ 43 Hình 4.2 Hình mạch nguồn ±15VDC thực tế ................................................................. 45 Hình 4.3 Hình mạch nguồn 5VDC ................................................................................. 46 Hình 4.4 Mạch kích ........................................................................................................ 47 Hình 4.5 Mạch hồi tiếp áp pin mặt trời .......................................................................... 48 Hình 4.6 Mạch hồi tiếp điện áp DC-DC boost ............................................................... 49 Hình 4.7 Mạch hồi tiếp áp từ máy biến áp AC ............................................................... 50 Hình 4.8 Kết nối các linh kiện mạch boost DC-DC ....................................................... 51 Hình 4.9 Mạch nghịch lưu cầu ....................................................................................... 52 Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lí mạch boost DC-DC ............................................................... 53 Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật mạch boost DC-DC tự ổn định áp ra .................................. 54 Hình 4.12 Kết quả mô phỏng mạch boost DC-DC........................................................... 55 Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu cầu ............................................................. 56 Hình 4.14 Thông số cài đặt cho PWM nghịch lưu ........................................................... 56 Hình 4.15 Kết nối bộ PWM, mạch kích và cực cổng các IGBT (a), sóng mang (b) ....... 57 Hình 4.16 Dạng sóng Vsin và dạng sóng điện áp Ut.......................................................... 57 Hình 4.17 Lưu đồ giải thuật nghịch lưu ........................................................................... 59 Hình 4.18 Mô phỏng mạch nghịch lưu cầu ...................................................................... 59 Hình 4.19 Dạng xung PWM và điện áp ra nghịch lưu trên mô phỏng ............................. 60 Hình 4.20 Lưu đồ điều khiển đồng bộ .............................................................................. 61 Hình 4.21 Sơ đồ nguyên lí mô phỏng đồng bộ................................................................. 62 Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý mô phỏng hệ thống ............................................................... 62 Hình 4.23 Phần cứng toàn bộ hệ thống ............................................................................ 62 Hình 4.24 Sơ đồ thực hiện chạy hệ thống ........................................................................ 65 Hình 5.1 Hình mô phỏng tự ổn định áp ra trên Psim ở mức 250VDC ........................... 67 Hình 5.2 Thực nghiệm giải thuật ổn định điện áp so với đặt 1 hằng số chỉ số điều chế khi ánh sáng không thay đổi .............................................................................................. 67 Hình 5.3 Thực nghiệm giải thuật ổn định điện áp so với đặt 1 hằng số chỉ số điều chế khi ánh sáng thay đổi ......................................................................................................... 68 Hình 5.4 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 150VDC ....................................................................................................................... 70 Hình 5.5 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 160VDC ....................................................................................................................... 71 Hình 5.6 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 180VDC ....................................................................................................................... 72 Hình 5.7 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 200VDC ....................................................................................................................... 73 vii
Hình 5.8 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 220VDC ....................................................................................................................... 74 Hình 5.9 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thay đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 250VDC ....................................................................................................................... 75 Hình 5.10 Dạng xung kích trên 4 IGBT bộ nghịch lưu khi mô phỏng điện áp DC-DC .. 76 Hình 5.11 Dạng sóng điện áp ra và sóng Sine nghịch lưu mô phỏng ở điện áp DC-DC . 77 Hình 5.12 Dạng điện áp Ut , THD và sóng Sin ở điện áp DC boost 150VDC ................ 78 Hình 5.13 Dạng điện áp Ut, THD và sóng Sin ở điện áp DC boost 175VDC ................. 79 Hình 5.14 Dạng điện áp Ut, THD và sóng Sin ở điện áp DC boost 200VDC ................. 80 Hình 5.15 Dạng điện áp Ut, THD và sóng Sin ở điện áp DC boost 250VDC ................. 81 Hình 5.16 Mô phỏng khả năng bám của điện áp nghịch lưu với lưới .............................. 82 Hình 5.17 Dạng sóng Sin đồng bộ khi có nối tải ra sau máy biến áp .............................. 83 Hình 5.18 Dạng sóng Sin đồng bộ khi không nối tải ra sau máy biến áp ........................ 83 vii
DANH MỤC BẢNG Bảng Trang Bảng 2. 1 Bảng trạng thái nghịch lưu nửa cầu ........................................................7 Bảng 2. 2 Bảng trạng thái nghịch lưu cầu ............................................................... 8 Bảng 2. 3 Bảng thông số pin mặt trời sử dụng ......................................................17 Bảng 2. 4 Một số thông số của FGA25N120ANTD .............................................20 Bảng 3. 1 Thông số cơ bản của IGBT FGA25N120 .............................................26 Bảng 3. 2 Khảo sát tổng dòng điện tiêu thụ nguồn 5V..........................................32 Bảng 4.1: Linh kiện sử dụng cho mạch nguồn ±15VDC ........................................... 44 Bảng 4.2: Linh kiện sử dụng cho mạch nguồn 5VDC ............................................... 45 Bảng 4.3: Linh kiện sử dụng trong mạch kích ........................................................... 46 Bảng 4.4: Linh kiện sử dụng mạch hồi tiếp pin mặt trời ............................................ 48 Bảng 4.5: Linh kiện sử dụng trong mạch hồi tiếp điện áp DC-DC boost .................. 48 Bảng 4.6: Linh kiện sử dụng trong mạch hồi tiếp áp từ máy biến áp AC .................. 49 Bảng 4.7: Linh kiện sử dụng cho mạch boost DC-DC ............................................... 50 viii
TÓM TẮT Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài nghịch lưu hòa lưới năng lượng mặt trời, cùng với việc nắm bắt xu thế của việc tái tạo năng lượng sạch hiện nay nhóm đã thực hiện đề tài nhằm mục đích thực nghiệm các lý thuyết đã được học. Đề tài “Nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500W” là sự tìm hiểu chuyên sâu về bộ nghịch lưu 1 pha PWM, bộ biến đổi điện áp một chiều và giải thuật ổn định điện áp. Với ý tưởng thêm bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC) để tăng điện áp đưa vào nghịch lưu, nhằm tránh việc mắc nối tiếp nhiều tấm pin đồng thời tăng công suất của hệ thống, vì yếu tố tài chính và điều kiện thi công chưa cho phép, nên đề tài này chỉ dừng lại ở việc sử dụng 2 tấm pin năng lượng mặt trời (công suất lý tưởng 50W/tấm) để làm thí nghiệm cho hệ thống. Để minh chứng cho giải thuật ổn định điện áp ngõ ra mạch tăng áp DC-DC, chúng em điều chỉnh cường độ ánh sáng giảm dần nhưng vẫn đạt được mức điện áp ổn định. Điện áp ngõ ra đảm bảo tính ổn định ở tần số 50 Hz và điện áp 220V xoay chiều, với cường độ ánh sáng có thể giảm trong phạm vi cho phép là 30%. Hơn nữa, chất lượng điện áp ngõ ra cũng đảm bảo dạng sin chuẩn với THD nhỏ hơn 8% phù hợp với các yêu cầu đồng bộ lưới của Nhà nước. ix
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng là đánh dấu một cột mốc rất quan trong. Từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều, nhiều nhất trong vài thế kỷ gần đây. Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học: than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên. Kế đến là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối, năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn. Xã hội loài người không phát triển nếu không có năng lượng. Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng cạn kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống. Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học, kinh tế, các chính trị gia... và mỗi người trong chúng ta. Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh) và dễ sử dụng. Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng hầu như là vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí trên. Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện, để chứng tỏ rằng năng lượng mặt trời không chỉ có là năng lượng của tương lai mà còn có thể ứng dụng vào hiện tại. Trong những năm gần đây Việt Nam quan tâm đầu tư cho các nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, ứng dụng các công nghệ tiên tiến để cung cấp điện phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội. Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được coi là một giải pháp có tính chiến lược không chỉ cấp điện cho vùng chưa có điện lưới mà còn là nguồn bổ sung quang trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Ngày 11/4/2017 Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ- TTg: cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam. Như thế, nghịch lưu và hòa lưới năng lượng mặt trời sự kết hợp hoàn hảo cho việc phát triển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN khoa học- kỹ thuật cũng như giải quyết các vần đề khó khăn về vùng sâu vùng xa của Việt Nam. Trong những năm vừa qua có khá nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Ví dụ như đề tài “Hệ Thống Điện Mặt Trời Phục Vụ Hộ Gia Đình” của 2 tác giả Hà Đạo Biên và Nguyễn Công Trường; Các công bố khoa học “Phương Pháp Mới Hòa Nguồn Năng Lượng Mặt Trời Vào Lưới Điện Phân Phối” của 2 tác giả Trương Việt Anh và Nguyễn Bá Thuận trên tạp chí Phát Triển Khoa Học & Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia TPHCM số 13 năm 2010, và “Reduction Of Switching Loss In Grid-Connected Inverters Using A Variable Switching Cycle” trên tạp chí International Journal of Electrical Engineering & Technology (IJEET) số 6, năm 2015 của các tác giả Tran Quang-Tho, Le Thanh-Lam, và Truong Viet-Anh ... Trong đề tài “Hệ Thống Điện Mặt Trời Phục Vụ Hộ Gia Đình”, của 2 tác giả Hà Đạo Biên và Nguyễn Công Trường, các tác giả đã chọn cách thực hiện nghịch lưu trực tiếp điện áp từ pin năng lượng mặt trời (không có ắc quy) rồi tăng áp lên 220VAC qua máy biến áp. Ưu điểm của đề tài là loại bỏ được ắc quy từ đó tiết kiệm chi phí và nâng cao tuổi thọ hệ thống. Hạn chế của giải pháp này là hiệu suất thấp, khó đạt điểm làm việc cực đại (MPPT) của tấm pin. Kết quả là điện áp ở ngõ ra tấm pin sẽ bị suy giảm nhanh khi tăng tải từ đó dẫn đến làm giảm công suất nghịch lưu. Với công bố khoa học “Phương Pháp Mới Hòa Nguồn Năng Lượng Mặt Trời Vào Lưới Điện Phân Phối” của các tác giả Trương Việt Anh và Nguyễn Bá Thuận. Các tác giả cũng thực hiện nghịch lưu trực tiếp điện áp từ pin mặt trời qua điện áp AC sau đó qua máy biến áp ổn định điện áp rồi hòa vào lưới điện. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về các giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối lưới AC. Hạn chế của nghiên cứu này là phải sử dụng nguồn DC có biên độ lớn. Do đó phải mắc nối tiếp các tấm pin với nhau nên tổng trở trong của nguồn tăng theo dẫn đến sụt áp trên nguồn lớn hiệu suất giảm. Công bố này chỉ thực hiện mô phỏng trên lý thuyết và chưa được kiểm chứng qua thực nghiệm. Trong công bố khoa học “Reduction Of Switching Loss In Grid-Connected Inverters Using A Variable Switching Cycle” Các tác giả Tran Quang Tho, Le BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Thanh Lam, và Truong Viet Anh sử dụng cách tiếp cận thay đổi tần số sóng mang để giảm số chuyển mạch ở dòng điện hoăc điện áp lớn (để giảm tổn hao) và tăng chuyển mạch ở dòng điện nhỏ (để giảm THD). Trong công bố này các tác giả đã thực hiện mô phỏng, tuy nhiên việc thực nghiệm trên mô hình thật rất khó khăn do khó có thể điều chỉnh được tần số sóng mang của các bộ PWM. Để hệ thống điện mặt trời thực sự là thân thiện với môi trường, giảm chi phí, tăng tuổi thọ của hệ thống thì cần phải loại bỏ các bộ ắc quy dùng để trữ điện ra khỏi hệ thống chính vì thế nhóm chúng em đề xuất đề tài “Nguyên Cứu Nghịch Lưu Hòa Lưới Điện Mặt Trời Công Suất Dưới 500W”. Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC nên điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời. Do đó điện áp và công suất ngõ ra không ổn định. Vì vậy, trong nghiên cứu này, nhóm đề xuất thực hiện cải tiến bằng cách đưa thêm bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC) để tăng điện áp đưa vào nghịch lưu nhằm tránh phải mắc nối tiếp nhiều tấm pin đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống. Bên cạnh đó nhóm cũng thực hiện nghiên cứu về đồng bộ lưới phân phối (220VAC). Điều này có thể áp dụng vào mỗi hộ gia đình góp phần giảm chi phí điện của hộ gia đình và giảm chi phí của nhà nước trong việc đầu tư nguồn phát điện phục vụ phát triển đất nước. 1.2 MỤC TIÊU - Tìm hiểu về Card DSP TMS320F28335. - Tìm hiểu nghịch lưu dòng DC thành AC. - Nghiên cứu cách biến đổi điện áp một chiều. - Nghiên cứu và tìm hiểu đồng bộ lưới. 1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN - Nội dung 1: Phân tích bộ nghịch lưu 1 pha PWM sử dụng bán dẫn công suất. - Nội dung 2: Nghiên cứu bộ biến đổi điện áp một chiều. - Nội dung 3: Thiết kế mạch nghịch lưu 1 pha. - Nội dung 4: Thiết kế bộ tăng áp DC-DC. - Nội dung 5: Lập trình điều khiển. - Nội dung 6: Chạy thử nghiệm, đánh giá kết quả và khắc phục sự cố. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN - Nội dung 7: Viết báo cáo đồ án. - Nội dung 8: Báo cáo đề tài tốt nghiệp. 1.4 GIỚI HẠN - Chỉ áp dụng với công suất nhỏ, với tấm pin có công suất dưới 500W. - Chỉ áp dụng với thông số lưới điện phân phối ở Việt Nam. - Áp dụng các tiêu chuẩn đánh giá theo TCVN. - Chưa đóng vào lưới điện, chỉ đưa ra điện áp đồng bộ với điện áp lưới điện. 1.5 BỐ CỤC Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày những lý luận về lý thuyết mạch, những nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu, để từ đó kết nối chúng lại và xây dựng thành hệ thống. Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế. Chương này trình bày phần thiết kế mạch, tính toán các giá trị, thông số linh kiện, biến áp … Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Chương này trình bày sơ đồ nguyên lí và hình ảnh thực tế các phần của hệ thống. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá. Chương này so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương này đánh giá về các kết quả khoa học đạt được và các mặt hạn chế của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 NGUYÊN TẮC NGHỊCH LƯU MỘT PHA Thiết bị nghịch lưu là thiết bị có khả năng chuyển đổi dòng điện một chiều ra dòng điện xoay chiều, có tần số có thể thay đổi được. Việc phân loại nghịch lưu có thể dựa vào sơ đồ hoặc theo quá trình điện tử. Theo sơ đồ thì có nghịch lưu một pha và nghịch lưu ba pha, theo quá trình điện tử xảy ra thì có nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng. Ở đây do đề tài nghiên cứu nghịch lưu 1 pha từ nguồn áp một chiều, nên đối tượng chính trong chương cơ sở lý thuyết là các hệ thống nghịch lưu áp một pha. Nghịch lưu áp một pha có thể được thực hiện bằng các sơ đồ nghịch lưu nửa cầu, sơ đồ cầu, sơ đồ kiểu đẩy kéo [4]. 2.1.1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch nửa cầu dùng nguồn đôi Sơ đồ nghịch lưu nửa cầu dùng nguồn đôi được trình bày ở hình (2.1). Các khóa công suất S1, S2 có chức năng đóng ngắt để tạo sự thay đổi dòng điện và điện áp trên tải. Khi hai tiếp điểm này thay phiên nhau đóng ngắt, thì điện áp và dòng điện qua tải sẽ có sự thay đổi. Để không bị ngắn mạch thì các khóa S1 và S2 không được trùng dẫn và để đảm bảo dòng liên tục qua tải thì tại 1 thời điểm có ít nhất một khóa dẫn. Tức là nếu gọi TSi là trạng thái khóa thứ i (i là 1 hoặc 2) thì: 𝐓𝐒𝟏 + 𝐓𝐒𝟐 = 𝟏 (2.1) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi S1 dẫn, S2 không dẫn, dòng điện It từ B qua A. Điện áp trên tải Ut = U. Ngược lại, khi S2 dẫn, S1 không dẫn, dòng điện It từ A qua B. Điện áp trên tải Ut = -U. Do đó điện áp trên tải được xác định theo trạng thái các khóa như ở bảng (2.1). Bảng 2.1. Bảng trạng thái nghịch lưu nửa cầu TS1 TS2 Ut 0 1 -U 1 0 U Một cách tổng quát điện áp trên tải được xác định theo trạng thái khóa như sau: 𝐔𝐭 = 𝐓𝐒𝟏 . 𝐔 − 𝐓𝐒𝟐 . 𝐔 (2.2) Hay: 𝐔𝐭 = [𝐓𝐒𝟏 + (𝐓𝐒𝟏 − 𝟏)]. 𝐔 (2.3) 𝐔𝐭 = (𝟐. 𝐓𝐒𝟏 − 𝟏). 𝐔 (2.4) Từ (2.1) và (2.4) cho thấy trạng thái kích 2 khóa là đảo của nhau và điện áp ra phụ thuộc trạng thái kích của các khóa và được xác định qua cách điều chế. 2.1.2 Sơ đồ cầu Sơ đồ nghịch lưu nửa cầu cho thấy tại 1 thời điểm chỉ có 1 trong 2 nguồn tác dụng. Vì thế hiệu suất nghịch lưu là khá thấp (