Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu nâng cao hiệu suất cho các bộ biến đổi DC-DC một chiều và hai chiều ứng dụng trong lưới điện siêu nhỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử "Nghiên cứu nâng cao hiệu suất cho các bộ biến đổi DC-DC một chiều và hai chiều ứng dụng trong lưới điện siêu" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về các bộ biến đổi ứng dụng cho hệ thống năng lượng tái tạo; Giải pháp nâng cao hiệu suất chuyển đổi cho các bộ biến đổi DC-DC sử dụng máy biến áp; Xây dựng các bộ biến đổi DC-DC linh hoạt và đa chức năng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu nâng cao hiệu suất cho các bộ biến đổi DC-DC một chiều và hai chiều ứng dụng trong lưới điện siêu nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN VÕ THÀNH VĨNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC- DC MỘT CHIỀU VÀ HAI CHIỀU ỨNG DỤNG TRONG LƯỚI ĐIỆN SIÊU NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HƯNG YÊN - 2025
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN VÕ THÀNH VĨNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC- DC MỘT CHIỀU VÀ HAI CHIỀU ỨNG DỤNG TRONG LƯỚI ĐIỆN SIÊU NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Phạm Ngọc Thắng 2. TS. Nguyễn Thế Vĩnh HƯNG YÊN - 2025
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi và những nội dung được trình bày trong luận án này là hoàn toàn trung thực. Những số liệu, bảng biểu, mô hình phục vụ cho việc phân tích và dẫn dắt đề tài luận án này được thu thập từ các nguồn tài liệu khác nhau được ghi chú trong mục tài liệu tham khảo hoặc chú thích ngay bên dưới các bảng biểu. Ngoài ra, đối với các tài liệu diễn giải để làm rõ thêm các luận điểm đã phân tích và trích dẫn trong phần phụ lục cũng được chú thích nguồn gốc dữ liệu. Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của luận án này được trình bày theo kết cấu và dàn ý của tôi với sự dày công nghiên cứu của nghiên cứu sinh, cùng với tập thể hướng dẫn. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với cam kết trên./. Người cam đoan Võ Thành Vĩnh
ii LỜI CẢM ƠN Luận án này là kết quả học tập và nghiên cứu trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh tại trường SPKT Hưng Yên. Để hoàn thành được luận án, ngoài nỗ lực làm việc của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của rất nhiều người. Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Phạm Ngọc Thắng – Trưởng Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Hưng Yên và Thầy TS. Nguyễn Thế Vĩnh – Học viện Bưu Chính Viễn Thông đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp tôi thực hiện và hoàn thành Luận án này. Chân thành cảm ơn các nhóm tác giả đã đồng ý chia sẻ cho tôi tập dữ liệu công khai để tôi tham khảo, thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy lãnh đạo khoa Điện – Điện Tử, lãnh đạo bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, Phòng Đào Tạo và các Phòng chức năng của Trường SPKT Hưng Yên. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy/Cô lãnh đạo Trường Đại học Đồng Tháp, lãnh đạo Khoa SP Khoa Học Tự Nhiên và Bộ môn SP Vật Lý - Kỹ Thuật Công Nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi trong công việc để tôi hoàn thành Luận án. Đặc biệt tôi xin cảm ơn sâu sắc đến người thân, gia đình tôi đã hỗ trợ, động viên trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh của tôi. Xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, ngày 25 tháng 12 năm 2024 Tác giả luận án Võ Thành Vĩnh
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii MỤC LỤC .............................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................. vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................... xiii DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... xiv MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu của luận án ............................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2 4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 3 5. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................................... 4 7. Bố cục của luận án ............................................................................................... 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÁI TẠO ................................................................................................................. 5 1.1 HIỆN TRẠNG VỀ CÔNG NGHỆ CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÁI TẠO .................................................................... 5 1.1.1 Các khóa điện tử bán dẫn công suất và ứng dụng ............................................ 5 1.1.2 Điện tử công suất và bộ biến đổi điện tử công suất.......................................... 6 1.1.3 Xu thế phát triển của các bộ biến đổi điện tử công suất ................................... 7 1.1.4 Xu thế phát triển của các khóa điện tử bán dẫn công suất................................ 7 1.2. CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN SIÊU NHỎ NỐI LƯỚI ............................................ 9 1.2.1 Các dạng cấu trúc lưới điện siêu nhỏ ............................................................... 9 1.2.2 Bộ chuyển đổi nguồn DC-DC cho các hệ thống năng lượng tái tạo ............... 15 1.2.3 Bộ chuyển đổi DC-DC nhiều cấp hai hướng ................................................. 17 1.2.4 Bộ chuyển đổi công suất 2 pha không cảm biến hai hướng xen kẽ bộ chuyển đổi DC-DC cho ứng dụng xe lai (hybrid) ..................................................................... 17
iv 1.2.5 Bộ chuyển đổi DC-DC hai hướng với đầu ra kép, đầu vào đơn ..................... 17 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................. 19 CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT CHUYỂN ĐỔI CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC SỬ DỤNG MÁY BIẾN ÁP .................................................... 21 2.1. PHÂN TÍCH TỔN HAO VÀ HIỆU SUẤT CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC ...... 21 2.1.1 Hiệu suất và tổn thất điện năng trong bộ biến đổi.......................................... 21 2.1.2 Điều khiển và điều chế .................................................................................. 22 2.1.3 Tổn thất dẫn và chuyển mạch ........................................................................ 22 2.1.3.1 Thiết bị chuyển mạch nguồn ...................................................................... 22 2.1.3.2 Khóa điện tử thực tế ................................................................................... 23 2.1.3.3 Tổn thất điện năng của khóa chuyển mạch ................................................. 25 2.1.4 Tổn thất đồng ................................................................................................ 26 2.1.4.1 Tổn thất cuộn dây đồng .............................................................................. 26 2.1.4.2 Tổn thất dòng điện xoáy ............................................................................. 26 2.1.4.3 Tổng tổn thất cuộn dây đồng ...................................................................... 27 2.1.5 Tổn thất lõi thép trong máy biến áp ............................................................... 27 2.1.5.1 Tổn thất lõi Ferrite ..................................................................................... 27 2.1.5.2 Tổn thất còn lại .......................................................................................... 28 2.1.6 Hiệu suất của MBA ....................................................................................... 28 2.2. PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG BỘ BIẾN ĐỔI .............................................................................................................. 29 2.2.1 Phương pháp nâng cao hiệu suất của máy biến áp tần số cao trong bộ biến đổi DC-DC................................................................................................................... 29 2.2.1.1 Tính toán điện cảm rò rỉ cho sự phân bổ mạch từ ....................................... 30 2.2.1.2 Chọn tần số thích hợp cho điện kháng rò rỉ ................................................ 32 2.2.1.3 Kết quả và thảo luận ................................................................................... 33 2.2.2 Phương pháp sử dụng chuyển mạch mềm trong cấu trúc bộ biến đổi DC-DC 34 2.2.2.1 Chuyển mạch mềm ..................................................................................... 37 2.2.2.2 Cấu trúc chuyển mạch mềm ....................................................................... 38
v 2.2.2.3 Nhược điểm của bộ biến đổi cộng hưởng ................................................... 41 2.2.2.4 Bộ biến đổi kẹp chủ động ........................................................................... 41 2.2.2.5 Bộ biến đổi Push-Pull ZVS ........................................................................ 42 2.2.2.6 Các vấn đề liên quan đến việc đạt được ZVS trong bộ biến đổi Push-Pull . 43 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................ 45 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC LINH HOẠT VÀ ĐA CHỨC NĂNG ....................................................................................................... 47 3.1 GIẢI PHÁP BỘ BIẾN ĐỔI PUSH-PULL RS.................................................. 47 3.1.1 Trạng thái làm việc của bộ biến đổi Push-Pull RS ......................................... 49 3.1.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận ..................................................................... 52 3.2 GIẢI PHÁP KẾT HỢP HAI BỘ BIẾN ĐỔI BOOST VÀ FLYBACK (BF) .... 56 3.2.1 Bộ biến đổi Boost-Flyback có mạch phục hồi năng lượng (BF-RS) .............. 57 3.2.2 Hoạt động của bộ chuyển đổi ........................................................................ 58 3.2.3 Kết quả và thảo luận ...................................................................................... 60 3.2.3.1 Các kết quả mô phỏng ................................................................................ 60 3.2.3.2 Mô đun thí nghiệm ..................................................................................... 62 3.3. GIẢI PHÁP MẠCH KẾT HỢP CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC LINH HOẠT CÔNG SUẤT NHỎ CHO NGUỒN PHÂN TÁN .................................................. 63 3.3.1 Bộ biến đổi DC-DC hai hướng 3 cổng (BTG) với 4 khóa chuyển mạch ........ 63 3.3.1.1 Nguyên lý bộ biến đổi BTG ....................................................................... 64 3.3.1.2 Trạng thái điều khiển cho bộ DC-DC ......................................................... 69 3.3.1.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ............................................................. 71 3.3.2 Giải pháp bộ biến đổi 3 cổng 3 KĐTBD ....................................................... 80 3.3.2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi phát triển ............................................................. 80 3.3.2.2 Kịch bản vận hành ...................................................................................... 81 3.3.2.3 Chiến lược kiểm soát .................................................................................. 86 3.3.2.4 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ............................................................. 89 3.4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................... 97 3.4.1. Bộ biến đổi DC-DC chuyển đổi năng lượng một hướng ............................... 97
vi 3.4.2. Bộ biến đổi DC-DC chuyển đổi năng lượng hai hướng ................................ 98 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................................ 99 KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................... 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................. 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 104 PHỤ LỤC ................................................................................................................. I
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều BBĐ Bộ biến đổi BGH Ban giám hiệu BJT Bipolar junction transistor Transistor lưỡng cực BTG Boost Three Gates Bộ biến đổi 2 hướng 3 cổng CCM Continuous Conduction Mode Chế độ dòng điện liên tục DC Direct Current Dòng điện một chiều DCM Discontinuous Conduction Mode Chế độ dòng điện không liên tục ĐTCS Điện tử công suất EMI Electromagnetic interference Nhiễu sóng điện từ ETD Economic Transformer Design Mạch từ máy biến áp hình “E” ESS Energy storage system Hệ thống lưu trữ năng lượng EV Electric vehicle Xe điện FEMM Finite Element Method Magnetics Phân tích phần tử hữu hạn mạch từ GaN Gallium nitride GTO Gate turn-off thyristor Linh kiện bán dẫn 4 lớp HVS High voltage system Mạch điện áp cao IEGT Injection-enhanced gate transistor Transistor cổng tăng cường IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly IoT Internet of Things Internet kết nối mọi thứ KĐTBD Khóa điện tử bán dẫn KEIHIN Tên một công ty của Nhật Bản MCB Miniature Circuit Breaker Bộ ngắt mạch thu nhỏ MMF Magnetomotive force Lực từ động MPPT Maximum Power Point Tracker Bám điểm công suất cực đại MIMO Multiple-input multiple-output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
viii MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Transistor trường Effect Transistor NLTT Năng lượng tái tạo LVS Low voltage system Mạch điện áp thấp P&O Perturb and Observe Thuật toán nhiễu loạn và quan sát PV Photovoltaic (panels) Tấm quang điện PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung RC-IGBT Reverse Conducting IGBT Transistor IGBT dẫn ngược RES Renewable energy source Nguồn năng lượng tái tạo RS Recovery switching Chuyển mạch có phục hồi SiC Silicon carbide SMPS Switching Mode Power Supply Bộ nguồn loại chuyển mạch SST Solid state transformer Máy biến áp chế độ rắn TiMEC Tên một công ty của Nhật Bản VBD Van bán dẫn VRE Variable Renewable Energy Năng lượng tái tạo biến đổi ZCS Zero Current Switching Chuyển mạch dòng điện trên khóa bằng 0 ZVS Zero Voltage Switching Chuyển mạch điện áp trên khóa bằng 0
ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Số tt Ký hiệu Giải thích ký hiệu Đơn vị 1 a Độ dày xuyên tâm của cuộn dây sơ cấp Mét (M) 2 AC Xoay chiều - 3 Acu,p Tổng diện tích của cuộn sơ cấp Mét vuông (m2) 4 Acu,s Tổng diện tích của cuộn thứ cấp Mét vuông (m2) 5 b Độ dày xuyên tâm của cuộn dây thứ cấp Mét (M) 6 Bm Mật độ từ thông Tesla (T) 7 ci Chiều rộng xuyên tâm của lõi (i=1÷5) Mét (M) 8 Cr Tụ điện cộng hưởng Fara (F) 9 d = ton/Ts Chu kỳ làm việc Giây (s) 10 D1, 2, 3… Diode 1, Diode 2, Diode 3… Con 11 DC Một chiều - 12 Eoff Năng lượng tổn thất ngắt điện Watt (W) 13 Eon Năng lượng tổn thất đóng điện Watt (W) 14 f Tần số dao động (Hz) 15 Fa Sức điện động phản kháng do cuộn dây sinh ra Volt (V) 16 h Chiều cao trục của cuộn dây và lõi Mét (M) 17 I+ Giới hạn dòng điện dẫn trên Ampe (A) 18 I- Giới hạn dòng điện dẫn dưới Ampe (A) 19 ID Dòng điện qua chân D khóa điện tử Ampe (A) 20 Ioff Dòng điện khi khóa điện tử ngưng dẫn Ampe (A) 21 Ion Dòng điện khi khóa điện tử dẫn điện Ampe (A) 22 Ip Dòng điện sơ cấp máy biến áp Ampe (A) 23 Irms Dòng điện hiệu dụng Ampe (A) 24 Is Dòng điện thứ cấp máy biến áp Ampe (A)
x 25 lcu Chiều dài trung bình của vòng dây quấn Mét (M) 26 Llk Điện cảm rò rỉ Henry (H) 27 Lmt Điện cảm từ hóa Henry (H) 28 Lr Cuộn cảm cộng hưởng Henry (H) 29 M1,2,3… Mosfet 1,2,3… Con 30 ke Hệ số tổn thất không thứ nguyên - 31 kh Hệ số tổn thất trễ - 32 NP Số vòng dây của cuộn sơ cấp Vòng 33 NS Số vòng dây của cuộn thứ cấp Vòng 34 Pblocking Tổn thất chặn Watt (W) 35 Pcond Tổn thất bán dẫn Watt (W) 36 PIC IC vi điều khiển Con 37 Pcu Tổn thất đồng Watt (W) 38 Pcu,dc Tổn thất đồng một chiều Watt (W) 39 Pec Công suất tiêu tán Watt (W) 40 Pfe Tổn thất lỏi thép Watt (W) 41 Pin Công suất ngỏ vào Watt (W) 42 Pj Cuộn dây sơ cấp (j=1÷4) Watt (W) 43 Ploss Tổng tổn thất Watt (W) 44 Poff Tổn thất khi khóa điện tử ngưng dẫn Watt (W) 45 Pon Tổn thất khi khóa điện tử dẫn điện Watt (W) 46 Pout Công suất ngỏ ra Watt (W) 47 Psw Tổn thất chuyển mạch Watt (W) 48 Rdc Điện trở một chiều Ohm (Ω) 49 Rds Điện trở trạng thái bật Ohm (Ω) 50 Rdson Điện trở giữa chân D và S khi Mosfet đóng Ohm (Ω) 51 Rec Điện trở dòng điện xoáy hiệu dụng Ohm (Ω) 52 Rp Điện trở cuộn sơ cấp máy biến áp Ohm (Ω)
xi 53 Rs Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp Ohm (Ω) 54 S Tiết diện của mạch từ Mét vuông (m2) 55 td,on Thời gian trễ khi đóng khóa điện tử Giây (s) 56 td,off Thời gian trễ khi ngắt khóa điện tử Giây (s) 57 tf Thời gian giảm của xung Giây (s) 58 toff Thời gian khóa điện tử ngưng dẫn (ngắt điện, tắt) Giây (s) 59 ton Thời gian khóa điện tử dẫn điện (đóng điện, bật) Giây (s) 60 tr là thời gian tăng của xung Giây (s) 61 Ts Tổng thời gian trong chu kỳ đóng/ngắt của KĐT Giây (s) 62 UDC Link Điện áp lưới điện một chiều Volt (V) 63 V+ Giới hạn điện áp chặn trên Volt (V) 64 V- Giới hạn điện áp chặn dưới Volt (V) 65 VBAT/ UBAT Điện áp PIN lưu trữ năng lượng Volt (V) 66 VC1,2.. Điện áp tại chân C1, C2… Volt (V) 67 VCbat/ UCbat Điện áp tụ điện lưu trữ năng lượng Volt (V) 68 VDC Điện áp một chiều Volt (V) 69 VDC Link Điện áp lưới điện một chiều Volt (V) 70 VDM1 Điện áp tại chân D Mosfet 1 Volt (V) 71 VDM2 Điện áp tại chân D Mosfet 2 Volt (V) 72 VDSon Sụt áp trên khóa điện tử khi đóng điện Volt (V) 73 Vg Nguồn điện áp Volt (V) 74 Vin Điện áp vào của bộ biến đổi (BBD) Volt (V) 75 VL1 Điện áp tại cuộn dây L1 Volt (V) 76 Voff Điện áp khi khóa điện tử ngưng dẫn Volt (V) 77 Von Điện áp khi khóa điện tử dẫn điện Volt (V) 78 VPV Điện áp tấm Pin năng lượng mặt trời Volt (V) 79 Xm Điện kháng rò rỉ Ohm (Ω)
xii 80 ƞ Hiệu suất - 81 α Thành phần tổn thất tần số, α = 1,2 − 2 - 82 β Số mũ tổn thất do vật liệu lõi, β = 2,4 − 3 - 83 ρcu Điện trở suất của đồng Ohm/mét (Ω/m)
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3-1: Các trạng thái thu được với các trạng thái của công tắc nguồn .............. 65 Bảng 3-2: Các trạng thái chuyển đổi được phát triển.............................................. 81 Bảng 3-3: So sánh kết quả nội dung nghiên cứu Push-Pull RS và BF-RS với các tài liệu tham khảo........................................................................................................ 97 Bảng 3-4: So sánh kết quả nội dung nghiên cứu BTG 3 và 4 KĐTBD với các tài liệu tham khảo .............................................................................................................. 98 Bảng PL4-1. Thiết bị trong bộ biến đổi DC-DC 3 cổng ...................................... VIII
xiv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1: Các khóa điện tử bán dẫn theo tần số và công suất làm việc và các ứng dụng tiêu biểu [1] ..................................................................................................... 5 Hình 1-2: Chuyển đổi năng lượng của các bộ biến đổi điện tử công suất [4]............ 6 Hình 1-3: Xu thế phát triển các bộ biến đổi điện tử công suất [5]............................. 7 Hình 1-4: Xu thế phát triển của các van bán dẫn trong tương lai [7] ........................ 8 Hình 1-5: Sơ đồ khối lưới điện xoay chiều siêu nhỏ nối lưới ................................... 9 Hình 1-6: Sơ đồ khối kết nối lên lưới điện một chiều siêu nhỏ nối lưới ................. 10 Hình 1-7: Sơ đồ khối kết nối lên nhiều lưới điện một chiều siêu nhỏ nối lưới........ 11 Hình 1-8: Sơ đồ khối liên kết nhiều lưới điện siêu nhỏ DC .................................... 12 Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống điện liên kết giữa hai lưới siêu nhỏ DC và AC ........ 13 Hình 1-10: Sơ đồ tổng quát cho các hệ thống quang điện kết nối lưới điện ............ 16 Hình 1-11: Giải pháp trực tiếp cho DC-DC hai hướng và một chiều bộ chuyển đổi Buck với đầu ra kép ............................................................................................... 18 Hình 2–1: Công tắc lý tưởng, (a) chế độ tắt, (b) chế độ bật .................................... 23 Hình 2-2: Minh họa các thuộc tính kích thước của cuộn dây được sử dụng trong công thức 2-31 đến 2-38 và sự ảnh hưởng lẫn nhau của điện kháng rò rỉ trong cửa sổ lõi ............................................................................................................................... 30 Hình 2-3: Điện cảm rò rỉ phụ thuộc vào tần số: a) Mô hình 4 cuộn sơ cấp song song, b) Điện cảm rò rỉ tương ứng với tần số bởi phần mềm FEMM và theo lý thuyết.... 33 Hình 2-4: Trình bày điện cảm rò rỉ phụ thuộc tần số dùng phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng................................................................................................ 34 Hình 2-5: Sơ đồ tương đương cảm ứng kẹp ........................................................... 35 Hình 2-6: Chuyển đổi dạng sóng và quỹ đạo chuyển mạch .................................... 35 Hình 2-7: Ảnh hưởng của ký sinh lên quỹ đạo chuyển mạch ................................. 36 Hình 2-8: Sơ đồ mạch điện cảm ứng kẹp có chuyển mạch mềm: (a) Chuyển mạch mềm tắt; (b) Chuyển mạch mềm bật ...................................................................... 36 Hình 2-9: Quỹ đạo chuyển mạch bật và tắt với mạch snubber................................ 37 Hình 2-10: Quỹ đạo chuyển mạch mềm ................................................................. 38
xv Hình 2-11: Bộ biến đổi cộng hưởng có tải nối tiếp ................................................. 39 Hình 2-12: Bộ biến đổi cộng hưởng có tải song song ............................................. 39 Hình 2-13: Dạng sóng điện áp và dòng điện chuyển mạch điển hình ..................... 40 Hình 2-14: Bộ biến đổi Buck toàn sóng ZCS bán cộng hưởng ............................... 40 Hình 2-15: Dạng sóng ZCS của bộ biến đổi Buck sóng toàn phần bán cộng hưởng41 Hình 2-16: Bộ biến đổi Push-Pull ZVS có bộ chỉnh lưu đồng bộ ........................... 42 Hình 2-17: Tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi Push-Pull ZVS ............................. 43 Hình 2-18: Dạng sóng chuyển mạch điển hình của bộ biến đổi Push-Pull ZVS ..... 43 Hình 2-19: Bộ biến đổi Push-Pull phát triển........................................................... 44 Hình 2-20: Dạng sóng ZVS cho Bộ biến đổi Push-Pull (D ≈ 50%) ........................ 44 Hình 3-1: Mạch nguyên lý bộ DC-DC Push-Pull với giải pháp mạch phục hồi ...... 49 Hình 3-2: Mạch mô phỏng chuyển đổi Push-Pull RS ............................................. 49 Hình 3-3: Đồ thị dòng điện điện áp trên các phần tử bộ biến đổi............................ 51 Hình 3-4: Mô phỏng điện áp tụ điện của C2 ở giai đoạn RS. Đối với mô phỏng này, tỷ lệ biến đổi được cố định ở mức tiêu chuẩn giá trị N = 10, độ rộng xung = 0,98, k = 0,95 ........................................................................................................................ 53 Hình 3-5: Các phép đo Pout và hiệu suất tổng thể là hàm của điện áp trên C1. Đối với mô phỏng này, tỷ lệ biến đổi được cố định ở giá trị tiêu chuẩn N = 10, độ rộng xung = 0,98, k = (0,7-0,99) ............................................................................................. 55 Hình 3-6: Sơ đồ boost-flyback với mạch phục hồi ................................................. 57 Hình 3-7: Hoạt động của mạch ở trạng thái 1 ......................................................... 58 Hình 3-8: Hoạt động của mạch ở trạng thái 2 ......................................................... 59 Hình 3-9: Hoạt động của mạch ở trạng thái 3 ......................................................... 59 Hình 3-10: Hoạt động của mạch ở trạng thái 4 ....................................................... 60 Hình 3-11: Sơ đồ mô phỏng bộ Boost-Flyback với mạch phục hồi ........................ 61 Hình 3-12: Kết quả mô phỏng điện áp đầu vào và đầu ra, điện áp lớn nhất đặt trên D2 chỉnh lưu của bộ biến đổi. Từ kết quả mô phỏng này với hệ số chất lượng máy biến áp k=0,95 và thời gian làm việc của khóa chuyển mạch = 0,5. ............................... 62
xvi Hình 3-13: Sơ đồ khối của nhà máy PV nối lưới DC cải tiến có hệ thống lưu trữ năng lượng...................................................................................................................... 63 Hình 3-14: Phát triển bộ biến đổi DC-DC hai hướng ba cổng ................................ 64 Hình 3-15: Sơ đồ tại trạng thái St- 1....................................................................... 66 Hình 3-16: Đồ thị hoạt động trạng thái St – 1......................................................... 66 Hình 3-17: Sơ đồ tại trạng thái St-2........................................................................ 67 Hình 3-18: Đồ thị hoạt động trạng thái St – 2......................................................... 67 Hình 3-19: Sơ đồ tại trạng thái St-3....................................................................... 68 Hình 3-20: Sơ đồ tại trạng thái St-4, 5 và 6 ............................................................ 69 Hình 3-21: Sơ đồ khối điều khiển cho bộ DC-DC hai hướng 3 cổng...................... 70 Hình 3-22: Đồ thị trong quá trình hoạt động tại trạng thái 1. (a) Điện áp trên khóa M1, (b) Điện áp trên các tụ C1, C3, (c) Công suất trên 3 cổng. .............................. 72 Hình 3-23: (a) Điện áp trên khóa M1, (b) Công suất trên 3 cổng............................ 73 Hình 3-24: (a) Điện áp trên các khóa M1 và M2, (b) Công suất trên ba cổng......... 74 Hình 3-25: Công suất của lưu trữ và tải.................................................................. 75 Hình 3-26: Kết quả đo trên máy hiện sóng, (a) Điện áp trên khóa M1, (b) Điện áp đầu vào từ PV và điện áp đầu ra của bộ DC-DC ........................................................... 76 Hình 3-27: Kết quả đo trên máy hiện sóng, (a) Điện áp trên khóa M2, (b) Điện áp trên khóa M1 ................................................................................................................. 77 Hình 3-28: Hiệu suất của bộ thực hiện tại các trạng thái, (a) Trạng thái 1, (b) Trạng thái 2, (c) Trạng thái 3, (d) Trạng thái 4, (e) Trạng thái 5 ....................................... 79 Hình 3-29: Bộ biến đổi DC-DC hai hướng được phát triển .................................... 80 Hình 3-30: Cấu trúc của bộ biến đổi được phát triển khi vận hành TS -1 ............... 82 Hình 3-31: Dạng sóng của bộ biến đổi được phát triển khi vận hành TS -1............ 83 Hình 3-32: Cấu trúc của bộ chuyển đổi được phát triển khi vận hành TS -2 .......... 85 Hình 3-33: Cấu trúc của bộ chuyển đổi được phát triển khi vận hành TS -3 và 4 ... 85 Hình 3-34: Dạng sóng điện áp khi TS -2 hoạt động ............................................... 86 Hình 3-35: Sơ đồ điều khiển phát triển bộ biến đổi DC-DC 3 cổng với 3 khóa chuyển mạch ...................................................................................................................... 88
xvii Hình 3-36: Kết quả mô phỏng hoạt động trong Trường hợp TS-1: (a) Điện áp của khóa M1 và D2, (b) Điện áp của tụ điện và lưới/tải DC, (c) Nguồn của PV, Hệ thống lưu trữ và lưới/tải DC, (d) Dòng điện của các tấm PV, lưới/tải DC và lưu trữ........ 90 Hình 3-37: Kết quả mô phỏng hoạt động trong trường hợp TS-2: (a) Điện áp của khóa M1 và M2; (b) dòng điện của tấm PV, lưu trữ và lưới DC; (c) Nguồn của PV, lưu trữ và lưới DC. ............................................................................................................ 92 Hình 3-38: Kết quả mô phỏng hoạt động trong trường hợp TS-4: (a) Điện áp của công tắc M3, (b) Tải và lưu trữ ....................................................................................... 92 Hình 3-39: Hình ảnh phần cứng của bộ chuyển đổi được phát triển ...................... 94 Hình 3-40: Công suất hiệu suất của bộ chuyển đổi hoạt động: (a) PV sang lưới/tải DC và hoạt động của lưu trữ, (b) PV và lưu trữ sang lưới/tải DC ................................. 95 Hình 3-41: Công suất hiệu suất của bộ biến đổi được phát triển: (a) Lưu trữ tới lưới/tải DC và (b) lưới DC/tải tới lưu trữ............................................................................ 96 Hình PL4-1: Hình ảnh thực tế phần cứng bộ chuyển đổi........................................... I Hình PL4-2: Các dạng sóng: dòng điện qua mosfet (màu vàng), điều chế độ rộng xung đường (màu xanh dương) ............................................................................... II Hình PL4-3: Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử ........................................... IV Hình PL4-4: Đặc tính điện cáp cực cửa.................................................................. IV Hình PL4-5: Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử ............................................ V Hình PL4-6: (a) Sơ đồ nguyên lý mạch lực DC-DC 3 cổng ................................... VI Hình PL4-6: (b) Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và hiển thị cho bộ DC-DC 3 cổng ............................................................................................................................... VI Hình PL4-6: (c) Sơ đồ nguyên lý mạch in bộ DC-DC 3 cổng ............................... VII Hình PL4-6: (d) Sơ đồ mạch lắp ráp ..................................................................... VII
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Năng lượng tái tạo với tiềm năng vô cùng lớn, thân thiện môi trường và khả năng cung cấp tại chỗ đã, đang và sẽ là một trong số các nguồn năng lượng chính phục vụ cho con người trong tương lai. Việt Nam là nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với bờ biển trải dài hơn 1.700 km nên các nguồn năng lượng tái tạo như: gió, mặt trời và sóng biển có tiềm năng đóng góp rất lớn vào nguồn cung cấp năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng. Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất với tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020. Hiện nay các nhà máy sản xuất năng lượng điện từ mặt trời, gió ở Việt Nam sử dụng chủ yếu cấu trúc độc lập với công suất nhỏ và trung bình [96, 97], có nhược điểm lớn là hiệu suất chuyển đổi thấp và chi phí bảo dưỡng lớn. Bên cạnh đó có cấu trúc nối lưới điện và lưu trữ thì còn hạn chế vì vẫn còn rào cản về mặt chính sách, chưa được triển khai rộng rãi ở Việt Nam. Ngoài ra, về vấn đề kỹ thuật, hệ thống phát điện trực tiếp vào lưới có thể khiến đồng hồ quay ngược khi tải trong hộ gia đình thấp. Ở các nước khác, ví dụ như Thái Lan, các hộ gia đình được khuyến khích triển khai hệ thống này, tiền điện cuối tháng sẽ được khấu trừ, đôi khi nhà nước còn phải trả ngược tiền phát điện cho các hộ gia đình. Hi vọng trong tương lai gần, Việt Nam cũng sẽ cho phép triển khai thực hiện chính sách này một cách rộng rãi. Đối với các cấu trúc kiểu phân phối được coi là có nhiều ưu điểm từ quan điểm của việc đã khắc phục các nhược điểm của các kiến trúc đang ứng dụng trước đây [98]. Bản chất của cấu trúc này là kiểu hệ thống song song tăng điện áp DC đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của cộng đồng khoa học. Kiến trúc này có thể kết hợp từ các nguồn phát điện khác nhau như: một số loại tấm quang điện mặt trời với