Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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:25

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "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" được nghiên cứu với mục tiêu: Đề xuất các giải pháp mạch lực nhằm tăng hiệu suất BBĐ DC-DC một hướng ứng dụng trong lưới điện siêu nhỏ sử dụng nguồn NLTT; Tối ưu giải pháp cho cấu trúc mạch của bộ biến đổi DC-DC chuyển đổi năng lượng hai hướng linh hoạt ứng dụng cho lưới điện siêu nhỏ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

[1][2] 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 Hưng Yên, 2025
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Phạm Ngọc Thắng Hướng dẫn khoa học 2: TS. Nguyễn Thế Vĩnh Phản biện 1: GS.TS. Trần Đức Tân Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Chí Ngôn Phản biện 3: PGS.TS. Trịnh Trọng Chưởng Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Vào hồi 8 giờ 30 phút, ngày 19 tháng 01 năm 2025 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên - Thư viện Quốc gia Việt Nam 1
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Với các cấu trúc lưới điện phân phối được coi là có nhiều ưu điểm, được kết hợp từ các nguồn điện khác nhau như: điện mặt trời, năng lượng gió, thủy điện, sinh khối, … với công suất trung bình và lớn [99]. Trong cấu trúc này, việc phát triển một hệ thống song song kết nối trên đường dây DC có nhiều ưu điểm để nâng cao hiệu suất điện của hệ thống năng lượng tái tạo (NLTT). Đây là vấn đề thứ nhất luận án quan tâm nghiên cứu. Quá trình chuyển đổi NLTT thành năng lượng điện, sau đó qua các bộ biến đổi DC- DC tăng áp để cung cấp điện áp phù hợp cho bộ biến đổi DC-AC bị tổn hao. Khi đó, nâng cao hiệu suất trong quá trình chuyển đổi năng lượng, đặc biệt trong khâu biến đổi DC-DC là vấn đề quan trọng. Đây là vấn đề đã và đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của cộng đồng khoa học và cũng là vấn đề thứ hai mà luận án sẽ quan tâm nghiên cứu. 2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu thứ nhất là thực hiện nghiên cứu đưa ra giải pháp nâng cao hiệu suất bộ biến đổi (BBĐ) tăng áp DC-DC đến 400VDC sử dụng máy biến áp kết hợp với các chuyển mạch mềm để thúc đẩy việc phục hồi năng lượng chuyển đổi với chi phí thấp. Bộ biến đổi kết hợp với mục tiêu thứ hai cụ thể là: (1) Đề xuất các giải pháp mạch lực nhằm tăng hiệu suất BBĐ DC-DC một hướng ứng dụng trong lưới điện siêu nhỏ sử dụng nguồn NLTT; (2) Tối ưu giải pháp cho cấu trúc mạch của bộ biến đổi DC-DC chuyển đổi năng lượng hai hướng linh hoạt ứng dụng cho lưới điện siêu nhỏ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Quá trình biến đổi năng lượng DC-DC, các hệ thống điện song song siêu nhỏ. - Các giải pháp chuyển mạch mềm và cấu trúc mạch trong bộ biến đổi DC-DC tích hợp đa nguồn và tải linh hoạt cho lưới điện siêu nhỏ. Phạm vi nghiên cứu Bộ biến đổi DC-DC một hướng và hai hướng hiệu suất cao linh hoạt trong lưới điện siêu nhỏ độc lập hoặc nối lưới dùng nguồn năng lượng tái tạo. 4. Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: - Phân tích, đánh giá, tối ưu các thành phần chính ảnh hưởng đến hiệu suất của BBĐ DC-DC như máy biến áp tần số cao, khóa điện tử bán dẫn. 1
- Phân tích vấn đề tổn hao của các phần tử chính ảnh hưởng lớn đến hiệu suất BBĐ DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ. Tối ưu, đánh giá các giải pháp cụ thể cho kết cấu mạch của BBĐ DC-DC một hướng, BBĐ DC-DC hai hướng dùng mạch phục hồi năng lượng. - Đánh giá đưa ra các hướng phát triển nghiên cứu kết quả nghiên cứu để đạt mục tiêu ứng dụng bộ biến đổi DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ. 5. Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, đánh giá các vấn đề liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu từ các công trình đã công bố. + Thử nghiệm xây dựng các thuật toán giám sát và điều khiển cho bộ truyền thông trong các bộ biến đổi nhằm tối ưu hiệu suất biến đổi cho bộ tăng áp DC-DC. + Tiếp cận và sử dụng các phần mềm mô phỏng Origin, phần mềm lập trình C, MATLAB, Orcad, ADS, .... để mô phỏng, thí nghiệm các đề xuất lý thuyết. + Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo thử nghiệm mẫu. Đánh giá và kiểm định kết quả đạt được. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Các nghiên cứu của luận án đã đưa ra được hai nhóm kết quả mới sau: Về khoa học - Phát triển một cấu trúc lưới điện DC siêu nhỏ hoạt động độc lập hoặc nối lưới để hạn chế những nhược điểm của các hệ thống đã sử dụng. - Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng trong các bộ DC-DC tăng áp ứng dụng cho hệ thống điện tái tạo. Về thực tiễn Sử dụng năng lượng điện hiệu quả, giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình sản xuất, chuyển đổi và phân phối chính là cách nhanh nhất để giảm giá thành sản xuất điện. Vì vậy, luận án đưa ra các giải pháp nâng cao hiệu suất của từng khâu và toàn bộ hệ thống sản xuất năng lượng tái tạo là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và các mục quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 03 chương, 99 trang, 72 hình vẽ, 04 bảng biểu và kết luận chung của luận án. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BBĐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÁI TẠO 1.1 HIỆN TRẠNG VỀ CÔNG NGHỆ CỦA CÁC BBĐ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÁI TẠO 1.1.1 Các khóa điện tử bán dẫn công suất và ứng dụng 1.1.2 Điện tử công suất và bộ biến đổi điện tử công suất 1.1.3 Xu thế phát triển của các bộ biến đổi điện tử công suất 1.1.4 Xu thế phát triển của các khóa điện tử bán dẫn công suất 1.2. CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN SIÊU NHỎ NỐI LƯỚI 1.2.1 Các dạng cấu trúc lưới điện siêu nhỏ 1.2.2 Bộ chuyển đổi nguồn DC-DC cho các hệ thống năng lượng tái tạo Các nguồn năng lượng thay thế và tái tạo được kết nối với hệ thống thông qua các bộ chuyển đổi điện tử công suất. Hình 1-1: Sơ đồ tổng quát cho các hệ thống quang điện kết nối lưới điện 1.2.3 Bộ chuyển đổi DC-DC nhiều cấp hai hướng [42] 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) [38] 1.2.5 Bộ chuyển đổi DC-DC hai hướng với đầu ra kép, đầu vào đơn [40] 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trong chương này, nghiên cứu sinh nghiên cứu, phân tích đặc điểm của các lưới điện siêu nhỏ trong các công trình đã công bố, kết hợp xem xét trong điều kiện thực tiễn để xác định các mặt hạn chế. Từ đó xác định hướng nghiên cứu thứ nhất là: Phát triển một cấu trúc lưới điện DC siêu nhỏ hoạt động độc lập hoặc nối lưới mới để khắc phục các hạn chế đã chỉ ra; Thứ hai là đề xuất giải pháp cải tiến cấu trúc các bộ chuyển đổi DC-DC sử dụng cho các hệ thống điện tái tạo như: bộ chuyển đổi DC-DC nhiều cấp hai hướng; 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); Bộ chuyển đổi DC-DC hai hướng với đầu ra kép, đầu vào đơn. 3
CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT CHUYỂN ĐỔI CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC SỬ DỤNG MÁY BIẾN ÁP 2.1. CƠ SỞ NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 2.1.1 Hiệu suất và tổn thất điện năng trong bộ biến đổi Tổn thất điện năng trong bộ biến đổi DC-DC có thể được phân thành bốn thành phần tổn thất: tổn thất chuyển mạch P sw, tổn thất bán dẫn Pcond, tổn thất đồng Pcu và tổn thất lõi Pfe: (2-1) Hiệu suất tổng của bộ biến đổi được tính bằng mối quan hệ giữa công suất tại các cực đầu ra và công suất tại các cực đầu vào: 𝑃 𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛− 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 𝑃𝑖𝑛 − (𝑃𝑠𝑤 + 𝑃 𝑐𝑜𝑛𝑑 + 𝑃𝑐𝑢 + 𝑃 𝑓𝑒 ) (2-2) ƞ= = = 𝑃𝑖𝑛 𝑃𝑖𝑛 𝑃𝑖𝑛 Các thông số liên quan đến hiệu suất sẽ được trình bày dưới đây. 2.1.2 Điều khiển và điều chế 2.1.3 Tổn thất dây dẫn và chuyển mạch 2.1.3.3 Tổn thất điện năng của khóa chuyển mạch Tổn hao chuyển mạch được cho bởi: (2-3) 2.1.4 Tổn thất đồng 2.1.4.1 Tổn thất cuộn dây đồng Tổn thất dây dẫn đồng do điện trở DC của cuộn dây có công suất tiêu tán là: (2-4) 2.1.4.2 Tổn thất dòng điện xoáy 2.1.4.3 Tổng tổn thất cuộn dây đồng (2-5) 2.1.5 Tổn thất lõi thép trong máy biến áp 2.1.5.1 Tổng tổn thất lõi máy biến áp (2-6) 2.1.5.2 Tổn thất lõi Ferrite do từ trễ (2-7) 4
2.1.5.3 Tổn thất còn lại Thế các phương trình có liên quan ở trên vào phương trình 2-2 ta được: 𝛽 𝑓𝑠2 𝐵 2𝑚 𝑃𝑖𝑛 − [(𝐸 𝑜𝑛 (𝐼)𝑓𝑠𝑤 + 𝐸 𝑜𝑓𝑓 (𝐼)𝑓𝑠𝑤 ) + (𝐼 2 𝑅 𝑑𝑠,𝑜𝑛 ) + (𝐼 2 𝑅 𝑑𝑐 ) + (𝑘ℎ 𝑓 𝛼 𝐵 𝑚 + 𝑘 𝑒 𝑜𝑛 𝑟𝑚𝑠 + 𝑃𝑟 )] 𝜌 𝑓𝑒 ƞ= 𝑃𝑖𝑛 (2-8) Do đó, hiệu suất là hàm của tần số chuyển mạch f sw, công suất vận hành Pdc và mật độ từ thông Bm hay điện kháng rò rỉ Xm. 2.2. PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG BỘ BIẾN ĐỔI 2.2.1 Phương pháp nâng cao hiệu suất của máy biến áp tần số cao trong BBĐ DC-DC Với kỹ thuật chia nhỏ cuộn sơ cấp, tự cảm rò rỉ của cuộn dây sơ cấp cùng với ảnh hưởng của tần số đóng cắt trong các thiết bị điện tử được xác định, là cơ sở để tăng hoặc giảm giá trị điện cảm rò rỉ trong biến áp xung của bộ chuyển đổi DC-DC. 2.2.1.1 Tính toán điện cảm rò rỉ cho sự phân bổ mạch từ Ý nghĩa của các ký hiệu tham số và sự phát sinh từ thông rò rỉ Φl trong cửa sổ lõi được minh họa theo nguyên lý trong Hình 2-1. Hình 2-1: Minh họa các thuộc tính kích thước của cuộn dây được sử dụng trong công thức 2-9 và sự ảnh hưởng lẫn nhau của điện kháng rò rỉ trong cửa sổ lõi Tùy vào cách bố trí cuộn dây mà ta có giá trị điện kháng rò rỉ như sau: Điện kháng rò rỉ giữa hai cuộn dây sơ cấp: 2𝑎 µ0 2𝜋𝑓𝑁 2 𝐿 𝑚𝑡 ( + 𝑐1 ) 𝑋 𝑃12 = 3 (2-9) ℎ Tương tự xác định cho các điện kháng rò rỉ: 𝑋 𝑃4𝑆 , 𝑋 𝑆𝐿 , 𝑋 𝑃13 , 𝑋 𝑃3𝑆 , 𝑋 𝑃14 , 𝑋 𝑃4𝐿 Các công thức trên cho kết quả nhỏ hơn giá trị điện kháng rò rỉ thực. Ta cần chọn tần số MBA làm việc phù hợp; Điện kháng rò rỉ càng nhỏ thì hiệu suất càng cao. 5
2.2.1.2 Chọn tần số thích hợp cho điện kháng rò rỉ Kết quả điện cảm rò rỉ mô phỏng thay đổi ứng với tần số. Tuy nhiên, theo tính toán cổ điển, giá trị của điện cảm là không đổi, và giá trị này cao hơn mô phỏng khi tần số cao hơn được thể hiện trong hình 2-2(b). a) b) Hình 2-2: 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 2.2.1.3 Kết quả và thảo luận Thay đổi tần số hoạt động để chọn tần số tối ưu cho cuộn dây biến áp để giảm thiểu điện cảm rò rỉ, chính là giảm tổn thất năng lượng trên các công tắc điện tử bật/tắt, nâng cao hiệu suất của bộ chuyển đổi DC-DC. Hình 2-3: Điện cảm rò rỉ phụ thuộc tần số giữa tính toán lý thuyết và mô phỏng Các kết quả sử dụng trong mô hình 4 cuộn dây sơ cấp này tốt hơn đáng kể so với trong các mô hình một cuộn dây sơ cấp. Kết quả cho thấy, ở tần số 50Hz điện cảm rò rỉ gần bằng 10% là hợp lý. 6
2.2.2 Phương pháp sử dụng chuyển mạch mềm trong cấu trúc bộ biến đổi DC-DC Chuyển mạch mềm hỗ trợ có hai loại: chuyển mạch mềm hỗ trợ tắt và chuyển mạch mềm hỗ trợ bật. Phương pháp này sẽ hỗ trợ cho các đề xuất trong chương 3. 2.2.2.1 Chuyển mạch mềm Trong chuyển mạch mềm có hai dạng: ZVS là điện áp của thiết bị bằng 0 ngay trước khi bật. và ZCS, dòng điện của thiết bị bằng 0 ngay trước khi tắt. Kỹ thuật này giúp giảm tổn hao trong quá trình đóng mở các khóa điện tử bán dẫn. 2.2.2.2 Cấu trúc chuyển mạch mềm 2.2.2.3 Bộ biến đổi kẹp chủ động 2.2.2.4 Bộ biến đổi Push-Pull ZVS Bộ biến đổi Push-Pull ZVS đã được hình 2-4 thể hiện sơ đồ mạch điện Hình 2-4: Bộ biến đổi Push-Pull ZVS có bộ chỉnh lưu đồng bộ Hình 2-5: Tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi Push-Pull ZVS 7
2.2.2.5 Các vấn đề liên quan đến việc đạt được ZVS trong bộ biến đổi Push-Pull Hình 2-6: Dạng sóng ZVS cho Bộ biến đổi Push-Pull (D ≈ 50%) Chu kỳ làm việc của bộ biến đổi được cố định ở mức gần 50% với thời gian không hoạt động (thời gian chết) Td nhỏ. 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Trong Chương 2, tác giả đã trình bày tóm tắt cơ sở nguyên lý trong tính toán thiết kế các thiết bị biến áp cao tần DC-DC. Các tổn hao trong thiết bị được xem xét, phân tích. Từ đó, đưa ra phương pháp tính toán tối ưu thiết kế và so sánh với kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Các kết quả của mô hình được mô tả đơn giản bằng cách sử dụng lý thuyết hoặc dùng các giá trị ổn định và hiệu quả để mô phỏng. Ngoài ra, tác giả đã trình bày một số nghiên cứu về các giải pháp chuyển mạch mềm hạn chế các thông số cực đại của khóa chuyển mạch. Đây là cơ sở nền tảng cho việc nghiên cứu mạch phục hồi bằng chuyển mạch mềm cho BBĐ DC-DC. Từ đó, đề xuất một giải pháp chuyển mạch mềm cụ thể để cải tiến cho BBĐ DC-DC kiểu Push-Pull, Boost Flyback. Tiếp theo, tác giả sẽ nghiên cứu đề xuất các cấu trúc biến đổi DC-DC linh hoạt và đa chức năng ứng dụng trong các hệ thống điện tái tạo ở Chương 3. 8
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CÁC BBĐ DC-DC LINH HOẠT VÀ ĐA CHỨC NĂNG 3.1 GIẢI PHÁP BỘ BIẾN ĐỔI PUSH-PULL RS 3.1.1 Chế độ làm việc của bộ biến đổi Push-Pull RS Các chế độ làm việc của bộ biến đổi được mô phỏng trong môi trường phần mềm OrCad cho phép xác định hiệu suất lý thuyết của nó. Sơ đồ mô phỏng tương ứng của bộ biến đổi được thể hiện trong hình 3-1. Hình 3-1: Mạch mô phỏng chuyển đổi Push-Pull RS Hình 3-2: Đồ thị dòng điện điện áp trên các phần tử bộ biến đổi 9
3.1.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận Kết quả mô phỏng hình 3-3 cho thấy, điện áp phân cực Vc2 và Vc1 (Điện áp C1 và C2 giống nhau) trên tụ điện C2 ổn định trong suốt chu kỳ với giá trị xung quanh Vc = 168V, đây là điện áp an toàn cho các KĐTBD. Hình 3-3: 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 3.1.3 Ảnh hưởng của điện áp tụ C1 đến hiệu suất của bộ Push-Pull RS Ta đưa ra phương trình (3-1) thể hiện mối quan hệ giữa điện áp ổn định trên tụ C1, C2 với các hệ số, thông số để kiểm tra và lựa chọn chuyển đổi tối ưu. (3-1) Hình 3-4: Các phép đo Pout và hiệu suất là hàm của điện áp trên C1. 3.2 GIẢI PHÁP KẾT HỢP HAI BỘ BIẾN ĐỔI BOOST VÀ FLYBACK (BF) Sử dụng xen kẽ bộ Boost và Flyback với mạch phục hồi RS (BF-RS) trong bộ biến đổi sẽ đạt được điện áp đầu ra cao, giảm tổn hao bên trong của KĐTBD. 3.2.1 Bộ biến đổi Boost-Flyback có mạch phục hồi năng lượng (BF-RS) Bộ biến đổi đổi DC-DC được đặt tên là Boost-Flyback với giai đoạn phục hồi cho mạch boost và mạch flyback được ghép bởi mạch từ như hình 3-5. 10
Hình 3-5: Sơ đồ boost-flyback với mạch phục hồi Kết quả nghiên cứu bộ biến đổi Boost-Flyback đề xuất ở đây với cùng một chu kỳ làm việc cho phép đạt được giá trị độ lợi điện áp cao hơn. 3.2.2 Hoạt động của bộ chuyển đổi Nguyên lý hoạt động của mạch được giải thích với 4 chế độ như sau: Chế độ 1: Chế độ hoạt động này đại diện cho các chế độ còn lại, thông tin chi tiết được minh họa ở hình 3-6. Hình 3-6: Hoạt động của mạch ở chế độ 1 3.2.3 Kết quả và thảo luận 3.2.3.1 Các kết quả mô phỏng Biên dạng điện áp ở hình 3-7 chỉ ra rằng giai đoạn phục hồi năng lượng thể hiện qua các đường cong của điện áp VC1 của C1 (đường màu tím) sau giai đoạn RS. Hình 3-7: Kết quả mô phỏng với hệ số chất lượng máy biến áp k=0,95 và D = 0,5. 11
3.3. GIẢI PHÁP MẠCH KẾT HỢP CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC LINH HOẠT CÔNG SUẤT NHỎ CHO NGUỒN PHÂN TÁN 3.3.1 Bộ biến đổi DC-DC hai hướng 3 cổng (BTG) với 4 khóa chuyển mạch 3.3.1.1 Nguyên lý bộ biến đổi BTG Bộ biến đổi được đề xuất trong hình 3-8 là bộ biến đổi đầu ra kép đầu vào đơn. Các trạng thái chuyển mạch được đưa ra trong bảng 3-1. Hình 3-8: Đề xuất bộ biến đổi DC-DC hai hướng ba cổng Bảng 3-1: Các trạng thái thu được với các trạng thái của công tắc nguồn State M1 M2 M3 M4 Topo-State 2 0 0 0 1 St-4 3 0 0 1 0 St-6 5 0 1 0 0 St-5 9 1 0 0 0 St-1 10 1 0 0 1 St-2 13 1 1 0 0 St-3 Trạng thái St-1 được mô tả hình 3-9 với đầu vào cung cấp năng lượng cho tải tại đường dây DC cũng như đến cuộn cảm máy biến áp xung tích lũy và xả năng lượng. Chế độ này cũng phân tích đại diện cho các chế độ còn lại. a Hình 3-9: Sơ đồ tại chế độ St- 1 12
Hình 3-10: Đồ thị hoạt động trạng thái St – 1 3.3.1.2 Chế độ điều khiển cho bộ DC-DC Các chế độ điều khiển được trình bày trên hình 3-11 Hình 3-11: Sơ đồ điều khiển cho bộ DC-DC hai hướng 3 cổng 4 khóa điện tử 3.3.1.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm a. Kết quả mô phỏng Phần này đề cập đến kết quả mô phỏng cho ba chế độ được thực hiện bằng OrCad (a) 13
(b) (c) Hình 3-12: Đồ thị trong quá trình hoạt động tại chế độ 1. (a) Điện áp trên khóa M1, (b) Điện áp trên các tụ C1, C3, (c) Công suất trên 3 cổng. Trong hình 3-12 (a) thể hiện giá trị điện áp ngược đánh thủng 220volt cho khóa M1 tại chân đo V(M1:d) , từ đó lựa chọn khóa điện tử phù hợp cho mạch. Trong hình 3-12 (b), thể hiện các giá trị điện áp trên các tụ C1 tại chân đo V(C1:3) (điện áp phục hồi năng lượng cho mạch tăng áp Boost) và C3 tại chân đo V(C3:2) (điện áp đầu ra trên tải tại lưới DC). Kết quả đo công suất trên nguồn PV (tín hiệu màu vàng) và trên tải tại đường dây song song DC (tín hiệu màu đỏ) và lưu trữ P=0W (tín hiệu màu tím) cơ bản thể hiện đúng thực tế và được đưa ra trên hình 3-12 (c). b. Kết quả thực nghiệm Trong hình 3-13 (a), (b), điện áp ngược của M1 và điện áp vào/ra đạt giá trị gần như mô phỏng ở mục trên. (a) 14
(b) Hình 3-13: 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 Hình 3-14: Hiệu suất của bộ thực hiện tại các trạng thái 1 3.3.2 Giải pháp bộ biến đổi 3 cổng 3 KĐTBD 3.3.2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi đề xuất Cấu trúc bộ chuyển đổi đề xuất được thể hiện trong hình 3-15. Hình 3-15: Bộ biến đổi DC-DC hai hướng được đề xuất 15
Trong trường hợp BBĐ đề xuất được phân tích theo bốn kịch bản hoạt động tương ứng với bốn trạng thái chuyển mạch 5, 7, 3 và 2, cụ thể là ST-1, ST-2, ST-3 và ST-4. Bảng 3-2: Các trạng thái chuyển đổi được đề xuất Trạng thái M1 M2 M3 Trạng thái cấu trúc 2 0 0 1 TS-4 3 0 1 0 TS-3 5 1 0 0 TS-1 7 1 1 0 TS-2 3.3.2.2 Kịch bản vận hành Trường hợp 1: Trạng thái 1 của bộ biến đổi (TS-1), trong trường hợp này, cấu trúc mạch cộng hưởng là loại một đầu vào và hai đầu ra như trên hình 3-16. Đây cũng là đại diện cho các trạng thái còn lại Hình 3-16: Cấu trúc của bộ biến đổi được đề xuất khi vận hành TS -1 Hình 3-17: Dạng sóng của bộ biến đổi được đề xuất khi vận hành TS -1 16
3.3.2.3 Chiến lược kiểm soát Bộ chuyển đổi được đề xuất hoạt động ở 4 trạng thái. Cần thiết lập nguồn đầu vào và điện áp đầu ra thông qua các biến điều khiển để điều khiển (BBĐ) ở từng trạng thái. Chiến lược điều khiển sẽ ngăn chặn các trạng thái bị cấm như trong bảng 3-2 đã loại. Hình 3-18: Sơ đồ điều khiển bộ biến đổi DC-DC 3 cổng với 3 khóa chuyển mạch 3.3.2.4 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm Các kịch bản mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Orcad để đánh giá hoạt động của bộ chuyển đổi đề xuất. (a) (b) Hình 3-19: Kết quả mô phỏng hoạt động trong Trường hợp TS-1: Phần cứng thiết bị chế tạo thử nghiệm đưa ra trong hình 3-20. Bộ biến đổi được kết nối với mạch cách ly tải, tải và lưới DC cũng như bộ vi điều khiển. Hiệu suất chuyển đổi của BBĐ đề xuất được xác định bằng cách đo đầu vào/ra của điện áp và dòng điện ở tất cả các chế độ vận hành đối với các mức công suất và điện áp PV khác nhau. Kết quả được trình bày trên hình 3-20 và hình 3-21. 17
Hình 3-20: Hình ảnh phần cứng của bộ chuyển đổi được đề xuất (a) (b) Hình 3-21: 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 18