Đồ Án 2: Thiết Kế Tích Hợp Hệ Thống Điện Mặt Trời Áp Mái Và Bộ Chỉnh Lưu Tích Cực Cho Tàu Điện

Khám phá thiết kế tích hợp hệ thống điện mặt trời áp mái và bộ chỉnh lưu tích cực cho tàu điện trong đồ án 2. Tối ưu hiệu suất năng lượng.

• Tác giả: Huỳnh Hữu Lợi
• Người hướng dẫn: Ths. Trần Hữu Tính
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ
• Chuyên ngành: Khoa Điện - Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Tích Hợp Hệ Thống Điện Mặt Trời Áp Mái Và Bộ Chỉnh Lưu Tích Cực Cho Tàu Điện
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM LƯỢC
• MẪU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống năng lượng mặt trời
• 1.2. Phân loại hệ thống PV
• 1.2.1. Hệ thống PV hòa lưới điện
• 1.2.2. Hệ thống PV độc lập
• 1.3. Tổng quan chung về tuyến tàu điện Nhổn – Ga Hà Nội
• 1.3.1. Chọn phương thưc lắp đặt tấm pin năng lượng ở nóc nhà ga
• 1.3.2. Chọn hệ thống PV áp mái nhà ga
• 1.4. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CẤU TRÚC MẠCH LỰC, BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ TĂNG ÁP DC/DC
• 2.1. Hệ thống điện mặt trời nối với DC Bus
• 2.2. Mô hình toán học pin mặt trời
• 2.2.1. Mạch tương đương của tế bào quang điện
• 2.2.2. Mô-đun PV
• 2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến Pin Mặt Trời
• 2.4. Cấu trúc mạch lực của bộ tăng áp DC – DC
• 2.5. Thiết kế thuật toán bám điểm công suất cực đại
• 2.5.1. Thuật toán INC
• 2.5.2. Đề xuất giải thuật bám điểm công suất cực đại
• 2.6. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái cho tàu điện

Hệ thống điện mặt trời áp mái đang trở thành một giải pháp năng lượng bền vững cho các phương tiện giao thông, đặc biệt là tàu điện. Việc tích hợp hệ thống này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các thành phần chính của hệ thống điện mặt trời và cách thức hoạt động của nó trong bối cảnh tàu điện.

1.1. Giới thiệu về hệ thống điện mặt trời áp mái

Hệ thống điện mặt trời áp mái sử dụng các tấm pin quang điện để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Các tấm pin này được lắp đặt trên mái tàu điện, giúp tối ưu hóa không gian và tăng hiệu suất sử dụng năng lượng.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng năng lượng mặt trời cho tàu điện

Việc sử dụng năng lượng mặt trời cho tàu điện không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn giảm thiểu khí thải carbon. Điều này góp phần vào việc phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

II. Thách thức trong việc tích hợp hệ thống điện mặt trời cho tàu điện

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc tích hợp hệ thống điện mặt trời vào tàu điện cũng gặp phải một số thách thức. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo hiệu suất và tính khả thi của hệ thống.

2.1. Vấn đề về không gian lắp đặt

Một trong những thách thức lớn nhất là không gian lắp đặt các tấm pin mặt trời. Nhiều tàu điện có thiết kế hạn chế không gian, điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng lắp đặt hệ thống điện mặt trời.

2.2. Hiệu suất năng lượng trong điều kiện thời tiết khác nhau

Hiệu suất của hệ thống điện mặt trời phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Trong những ngày nhiều mây hoặc mưa, sản lượng điện có thể giảm đáng kể, ảnh hưởng đến hoạt động của tàu điện.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống điện mặt trời tích hợp cho tàu điện

Để thiết kế một hệ thống điện mặt trời tích hợp hiệu quả cho tàu điện, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Các bước thiết kế sẽ được trình bày chi tiết trong phần này.

3.1. Thiết kế cấu trúc mạch lực cho hệ thống

Cấu trúc mạch lực là phần quan trọng trong thiết kế hệ thống điện mặt trời. Nó bao gồm các thành phần như bộ điều khiển và bộ chuyển đổi DC/DC, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

3.2. Ứng dụng công nghệ điều khiển thông minh

Việc áp dụng công nghệ điều khiển thông minh giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời. Các thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) sẽ được sử dụng để đảm bảo hiệu suất tối đa cho hệ thống.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của hệ thống điện mặt trời

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tích hợp hệ thống điện mặt trời vào tàu điện không chỉ khả thi mà còn mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất hoạt động của hệ thống đạt yêu cầu.

4.1. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink

Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink cho thấy hệ thống điện mặt trời có khả năng cung cấp năng lượng ổn định cho tàu điện, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong giao thông vận tải

Hệ thống điện mặt trời áp mái đã được áp dụng thành công trong một số dự án tàu điện, góp phần vào việc phát triển giao thông bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của hệ thống điện mặt trời cho tàu điện

Việc tích hợp hệ thống điện mặt trời vào tàu điện không chỉ là một xu hướng mà còn là một giải pháp thiết thực cho tương lai. Nghiên cứu này mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển năng lượng tái tạo trong lĩnh vực giao thông.

5.1. Tương lai của năng lượng mặt trời trong giao thông

Năng lượng mặt trời sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các phương tiện giao thông bền vững. Các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.

5.2. Khuyến khích đầu tư vào năng lượng tái tạo

Cần có các chính sách khuyến khích đầu tư vào năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông. Điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống cùng những tác động tiêu cực đến môi trường toàn cầu như hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu đang thúc đẩy mạnh mẽ quá trình chuyển dịch sang năng lượng tái tạo. Trong các nguồn năng lượng sạch, điện mặt trời nổi bật với tiềm năng vô tận, chi phí vận hành thấp, tính an toàn cao và không phát thải khí nhà kính trong quá trình phát điện. Ngành giao thông vận tải công cộng, đặc biệt là hệ thống đường sắt đô thị (tàu điện metro), là đối tượng tiêu thụ điện năng rất lớn và có tiềm năng to lớn trong việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời áp mái nhằm giảm thiểu chi phí vận hành và hướng tới giao thông xanh bền vững.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế tích hợp hệ thống điện mặt trời áp mái và bộ chỉnh lưu tích cực cho tàu điện" do sinh viên Huỳnh Hữu Lợi thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Hữu Tính và KS. Võ Pha Ga tại Khoa Điện - Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ (thực hiện từ tháng 10/2024 đến tháng 12/2024), tập trung giải quyết bài toán cấp nguồn và tối ưu hóa năng lượng tái tạo cho hệ thống tàu điện đô thị.

Mục đích và mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định rõ:

• Mục đích nghiên cứu: Tìm ra các giải pháp tối ưu hóa, giảm bớt những tác động tiêu cực đến nguồn tài nguyên, sản xuất và đời sống con người, từng bước thay thế năng lượng hóa thạch trong vận tải.
• Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế tích hợp hệ thống điện mặt trời áp mái và bộ chỉnh lưu tích cực cho tàu điện thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điện mặt trời áp mái, bộ biến đổi tăng áp DC-DC tích hợp thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chỉnh lưu tích cực (CLTC) có khả năng trao đổi năng lượng hai chiều liên kết với thanh cái DC (DC Bus) và lưới điện 22 kV. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và dữ liệu thực tế được áp dụng cho Tuyến đường sắt đô thị thí điểm thành phố Hà Nội, đoạn Nhổn – Ga Hà Nội (bao gồm 8 ga trên cao, 4 ga ngầm và 1 khu Depot). Điểm khảo sát, tính toán mặt bằng kỹ thuật áp mái thử nghiệm là Ga Cầu Diễn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên các mô hình vật lý và kỹ thuật điện tử công suất:

• Mô hình toán học tế bào quang điện (PV): Tác giả khảo sát mô hình mạch tương đương một diode (Single Diode Model) và hai diode (Two Diode Model). Phương trình đặc tính dòng điện - điện áp của tế bào quang điện một diode được xác định qua biểu thức: $$I = I_{ph} - I_d - I_{sh} = I_{ph} - I_s \left[ \exp\left(\frac{q(V + I R_s)}{\alpha k T}\right) - 1 \right] - \frac{V + I R_s}{R_p}$$ Trong đó: $I_{ph}$ là dòng điện quang hóa sinh ra từ bức xạ ánh sáng; $I_s$ là dòng điện bão hòa ngược của diode; $\alpha$ là hệ số lý tưởng phụ thuộc công nghệ bán dẫn ($\alpha = 1{,}2$ đối với Si-mono; $\alpha = 1{,}3$ đối với Si-Poly); $q$ là điện tích electron; $k$ là hằng số Boltzmann; $T$ là nhiệt độ tiếp giáp P-N; $R_s$ là điện trở nối tiếp và $R_p$ là điện trở song song (shunt).

  Dòng quang điện $I_{ph}$ phụ thuộc vào cường độ bức xạ $S$ và nhiệt độ $T$: $$I_{ph} = \left[ I_{sc} + K_i (T - T_{ref}) \right] \cdot \frac{S}{1000}$$ Với $I_{sc}$ là dòng ngắn mạch ở điều kiện chuẩn ($1000\text{ W/m}^2$, $25^\circ\text{C}$ tương đương $298{,}15\text{ K}$), hệ số nhiệt độ dòng ngắn mạch $K_i = 0{,}0017\text{ A/}^\circ\text{C}$, và năng lượng kích hoạt electron của silic $E_g = 1{,}1\text{ eV}$. Mô hình mở rộng cho mảng PV gồm $n_s$ mô-đun nối tiếp và $n_p$ nhánh song song để đạt công suất và điện áp yêu cầu.

• Đặc tính phi tuyến của PV: Tác giả phân tích các đường đặc tính $I-V$ và $P-V$ dưới sự biến thiên của cường độ bức xạ ($600\text{ W/m}^2 \div 1000\text{ W/m}^2$) và nhiệt độ ($25^\circ\text{C} \div 75^\circ\text{C}$). Khi bức xạ tăng, dòng $I_{sc}$ và công suất tăng tỉ lệ thuận; khi nhiệt độ tăng, điện áp hoạt động giảm mạnh khiến công suất đỉnh giảm.

• Lý thuyết bộ biến đổi tăng áp Boost DC-DC: Bộ chuyển đổi hoạt động ở chế độ dẫn liên tục (CCM) với chu kỳ đóng ngắt $T$ và hệ số điều chỉnh chu kỳ $D$:

  • Trong khoảng $0 < t \le DT$: Khóa bán dẫn $S$ đóng, diode phân cực ngược, điện áp đặt lên cuộn cảm là $v_L = V_i$, dòng điện cuộn cảm tích lũy năng lượng với độ gợn $\Delta i_L = \frac{V_i \cdot D \cdot T}{L}$.
  • Trong khoảng $DT < t \le T$: Khóa bán dẫn $S$ ngắt, diode dẫn, điện áp cuộn cảm $v_L = V_i - V_o$, năng lượng từ cuộn cảm và nguồn giải phóng nạp cho tụ và tải.
  • Quan hệ điện áp vào/ra ở trạng thái xác lập: $V_o = \frac{V_i}{1 - D}$.
  • Xác định điều kiện biên giữa chế độ dẫn liên tục (CCM) và gián đoạn (DCM), xác định giá trị tối thiểu của cuộn cảm $L_{min}$ và tụ lọc đầu ra $C_{min}$ để đảm bảo độ gợn điện áp trong giới hạn cho phép.

• Thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT): Tác giả trình bày hai giải thuật MPPT kinh điển: Nhiễu loạn và Quan sát (Perturb and Observe - P&O) và Độ dẫn gia tăng (Incremental Conductance - INC). Trọng tâm phân tích là giải thuật P&O dựa trên việc đo điện áp $V[k]$ và dòng điện $I[k]$, tính toán sự thay đổi công suất $\Delta P$ và điện áp $\Delta V$ giữa các chu kỳ để điều chỉnh bước thay đổi điện áp làm việc hướng về điểm MPP ($dP/dV = 0$).

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

1. Phương pháp phân tích xu hướng: Khảo sát các giải pháp công nghệ năng lượng sạch, phân tích chính sách và khung pháp lý tại Việt Nam và quốc tế; lựa chọn mô hình điện mặt trời hòa lưới không dùng ắc quy nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư và bảo trì.
2. Phương pháp thiết kế và mô phỏng hệ thống: Xây dựng mô hình chi tiết trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink bao gồm mảng pin mặt trời, bộ chuyển đổi Boost tích hợp khối điều khiển MPPT, thanh cái DC Bus và bộ chỉnh lưu tích cực liên kết lưới điện 22 kV. Chạy các kịch bản mô phỏng để đánh giá chế độ phát điện cho tàu điện và chế độ trả năng lượng dư thừa về lưới.
3. Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật trạm điện kéo và mặt bằng mái các nhà ga thuộc Tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội; thông số kỹ thuật thương mại của tấm pin JinkoSolar Tiger Neo N-type 60HL4-(V).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Khảo sát tuyến và cấu hình trạm điện kéo

Tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội có tổng chiều dài 12,5 km, gồm đoạn trên cao (Nhổn – Cầu Giấy) dài 8,5 km và đoạn đi ngầm (Cầu Giấy – Ga Hà Nội) dài 4 km. Toàn tuyến gồm 8 ga trên cao (chiều dài mái mỗi ga là 108 m, rộng 24 m, cao 22 m) và khu Depot rộng lớn. Hệ thống cung cấp điện kéo sử dụng cấp điện áp 22 kV với 6 trạm điện kéo phân bố dọc tuyến và 1 trạm biến áp điện kéo đặt tại khu Depot.

STT	Tên trạm điện kéo	Vị trí đặt trạm	Khoảng cách phụ trách cấp điện (m)	Cấp điện áp vận hành
1	Trạm điện kéo 1	Ga S1 – Nhổn	2100	22 kV
2	Trạm điện kéo 2	Ga S3 – Phú Diễn	2145	22 kV
3	Trạm điện kéo 3	Ga S5 – Lê Đức Thọ	2245	22 kV
4	Trạm điện kéo 4	Ga S7 – Chùa Hà	2345	22 kV
5	Trạm điện kéo 5	Ga S9 – Kim Mã	2085	22 kV
6	Trạm điện kéo 6	Ga S11 – Văn Miếu	1120	22 kV
7	Trạm biến áp Depot	Khu Depot	Phụ trách toàn bộ khu Depot	22 kV

Thiết kế hệ thống quang điện áp mái

Tác giả lựa chọn loại tấm pin quang điện công nghệ cao của hãng JinkoSolar, dòng Tiger Neo N-type 60HL4-(V) có dải công suất định mức từ 460 W đến 480 W. Quy cách lắp đặt được thiết kế với góc nghiêng lệch $13^\circ$ so với mặt bằng mái nhà ga, quay về hướng Nam để tối ưu hóa bức xạ quang năng tại Hà Nội. Khoảng cách giữa 2 tấm pin liền kề là $0{,}127\text{ m}$ và khoảng cách giữa các dãy pin là $0{,}5\text{ m}$.

Khu vực lắp đặt	Số lượng tấm pin	Công suất đỉnh ước tính	Thông số mặt bằng kỹ thuật
Khu vực Depot Metro Nhổn – Ga Hà Nội	6.217 tấm	2.984 kWp	Tận dụng toàn bộ diện tích mái nhà xưởng Depot
8 Nhà ga trên cao (Nhổn, Minh Khai, Phú Diễn, Cầu Diễn, Lê Đức Thọ, ĐH Quốc Gia, Chùa Hà, Cầu Giấy)	716 tấm / ga (Tổng 8 ga: 5.728 tấm)	343,7 kWp / ga (Tổng 8 ga: 2.749,6 kWp)	Mái nhà ga dài 108 m, rộng 24 m (diện tích mái khảo sát 2.376 m²); diện tích che phủ mảng PV là 1.545 m²

Kết quả tính toán kiểm tra tại Ga Cầu Diễn: Với diện tích mái là $108\text{ m} \times 22\text{ m} = 2.376\text{ m}^2$, tổng diện tích chiếm dụng thực tế của 716 tấm pin là $1.545\text{ m}^2$. Diện tích lắp đặt chiếm khoảng 65% diện tích mặt bằng mái, hoàn toàn đảm bảo khoảng hở kỹ thuật $0{,}127\text{ m}$ giữa các tấm và hành lang bảo trì $0{,}5\text{ m}$ giữa các dãy pin trong điều kiện thi công thực tế.

Cấu trúc tích hợp mạch lực và điều khiển

Cấu trúc hệ thống tích hợp gồm các khối chức năng chính:

1. Nguồn phát PV: Mảng pin Tiger Neo N-type tạo nguồn điện một chiều thay đổi theo thời tiết.
2. Bộ biến đổi Boost DC-DC và MPPT: Tăng và ổn định điện áp DC từ mảng pin cấp lên đường thanh cái một chiều (DC Bus). Khối điều khiển MPPT thực thi thuật toán P&O/INC, liên tục điều chỉnh độ rộng xung kích van bán dẫn để hệ thống luôn hoạt động tại điểm công suất cực đại.
3. Thanh cái DC Bus: Đóng vai trò làm điểm trung gian liên kết công suất, trực tiếp cấp nguồn cho động cơ truyền động của tàu điện.
4. Bộ chỉnh lưu tích cực (CLTC): Sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất đóng cắt chủ động, kết nối giữa thanh cái DC Bus và lưới điện xoay chiều 22 kV. Bộ CLTC có khả năng trao đổi năng lượng hai chiều linh hoạt:
   • Khi công suất PV không đủ cấp cho tàu: Bộ CLTC hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, lấy thêm điện từ lưới 22 kV bổ sung cho DC Bus.
   • Khi công suất PV dư thừa (hoặc tàu giảm tốc hãm tái sinh): Năng lượng dư thừa trên DC Bus được bộ CLTC nghịch lưu và hòa ngược trở lại lưới điện 22 kV.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan hệ thống năng lượng mặt trời

Chương 1 giới thiệu tổng quan về nguyên lý chuyển đổi năng lượng mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện trong vật lý chất bán dẫn, cấu tạo tấm pin silic đóng gói polymer cách ly chân không. Tác giả phân tích chi tiết hai mô hình vận hành: hệ thống PV hòa lưới (On-grid, không dùng ắc quy, tối ưu kinh tế) và hệ thống PV độc lập (Off-grid, dùng ắc quy lưu trữ).

Tiếp đó, chương 1 trình bày dữ liệu kỹ thuật Tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội (chiều dài 12,5 km, 6 trạm điện kéo 22 kV, kết cấu 8 nhà ga trên cao kích thước $108\text{ m} \times 24\text{ m}$). Tác giả đưa ra lựa chọn phương án hòa lưới áp mái sử dụng tấm pin JinkoSolar Tiger Neo N-type 60HL4-(V) 460–480 Wp, tính toán quy mô 6.217 tấm tại Depot (2.984 kWp) và 716 tấm/ga tại 8 ga trên cao (343,7 kWp/ga), kiểm chứng khả năng lắp đặt thực tế trên mái Ga Cầu Diễn ($1.545\text{ m}^2$ pin trên $2.376\text{ m}^2$ diện tích mái).

Chương 2. Thiết kế cấu trúc mạch lực, bộ điều khiển cho bộ tăng áp DC/DC

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình toán học giải tích của tế bào quang điện (mô hình 1 diode và 2 diode), mô-đun PV và mảng PV ghép nối nối tiếp - song song ($n_s, n_p$). Chương này đánh giá bằng đồ thị ảnh hưởng của bức xạ ($600 \div 1000\text{ W/m}^2$) và nhiệt độ ($25 \div 75^\circ\text{C}$) đến các đường đặc tính $I-V$ và $P-V$, chứng minh điểm MPP luôn di động phi tuyến.

Phần tiếp theo thiết lập mô hình mạch lực của bộ chuyển đổi tăng áp Boost DC-DC, giải phương trình trạng thái cuộn cảm và tụ điện ở hai khoảng đóng/ngắt ($0 < t \le DT$ và $DT < t \le T$) trong chế độ dẫn liên tục (CCM). Tác giả dẫn xuất các công thức xác định dòng gợn cuộn cảm $\Delta i_L$, điều kiện vận hành tại biên giới CCM/DCM, và tính toán thông số điện cảm $L$, điện dung tụ lọc $C$ tối thiểu.

Cuối chương, tác giả xây dựng lưu đồ và phân tích nguyên lý giải thuật MPPT Nhiễu loạn và Quan sát (P&O) cùng giải thuật Độ dẫn gia tăng (INC), chỉ ra cơ chế bù trừ giữa kích thước bước thay đổi điện áp và độ ổn định tại điểm cực đại.

Chương 3. Bộ chỉnh lưu tích cực (Thiết kế cấu trúc mạch lực, bộ điều khiển cho bộ chỉnh lưu tích cực)

Theo đề cương và bố cục đề tài, Chương 3 dành riêng để nghiên cứu bộ chỉnh lưu tích cực (Active Rectifier) – thiết bị then chốt cho phép chuyển đổi điện năng hai chiều giữa nguồn điện xoay chiều AC 22 kV của trạm điện kéo và thanh cái DC Bus. Nội dung chương bao gồm thiết kế cấu trúc mạch lực bán dẫn công suất, xây dựng thuật toán điều khiển điện áp và dòng điện nhằm kiểm soát hệ số công suất, ổn định điện áp DC Bus và cho phép dòng năng lượng chạy linh hoạt: cấp điện bổ sung cho tàu khi thiếu hoặc phát trả điện dư về lưới điện quốc gia.

Chương 4. Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink

Chương 4 thiết lập môi trường kiểm chứng thông qua mô phỏng số trên Matlab/Simulink. Toàn bộ các khối hệ thống bao gồm: mảng PV JinkoSolar, bộ tăng áp Boost tích hợp khối thuật toán MPPT P&O/INC, bộ chỉnh lưu tích cực CLTC và mô hình phụ tải động cơ tàu điện metro được tích hợp hoàn chỉnh. Kết quả mô phỏng thể hiện dạng sóng điện áp, dòng điện, đáp ứng công suất trên thanh cái DC Bus và đường đặc tính trạng thái chuyển động $P-V$ của phụ tải tàu điện trong các điều kiện làm việc khác nhau.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

• Khả năng khai thác công suất tái tạo lớn: Tính toán hoàn chỉnh giải pháp áp mái cho toàn tuyến metro Nhổn – Ga Hà Nội với tổng công suất đỉnh ước tính đạt hơn 5,7 MWp (gồm 2.984 kWp tại Depot và khoảng 2.749,6 kWp từ 8 nhà ga trên cao).
• Tính khả thi về mặt bằng: Xác định chính xác diện tích chiếm dụng của mảng PV tại Ga Cầu Diễn ($1.545\text{ m}^2$) nằm hoàn toàn trong giới hạn diện tích mái cho phép ($2.376\text{ m}^2$), đảm bảo đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về khoảng cách và góc nghiêng $13^\circ$ hướng Nam.
• Tích hợp truyền động và quản lý năng lượng hai chiều: Mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink chứng minh được năng lượng tái tạo từ mảng PV được chuyển đổi ổn định qua bộ Boost để cấp cho tàu điện, đồng thời lượng điện dư thừa được bộ chỉnh lưu tích cực (CLTC) điều khiển chuyển ngược trả về lưới điện trạm kéo 22 kV. Các đường đặc tính trạng thái chuyển động $P-V$ của tàu điện phản ánh sự ổn định công suất trên thanh cái DC Bus.

Đề xuất và giải pháp kỹ thuật

• Ứng dụng mô hình điện mặt trời hòa lưới trực tiếp vào thanh cái DC của hệ thống tàu điện thay vì sử dụng ắc quy lưu trữ đắt đỏ và cồng kềnh.
• Sử dụng bộ chỉnh lưu tích cực bán dẫn hiện đại thay cho các bộ chỉnh lưu diode truyền thống để tận dụng tối đa năng lượng dư thừa và dòng năng lượng hãm tái sinh đưa về lưới điện phân phối 22 kV.

Đóng góp học thuật và ứng dụng tác giả tự nêu

• Về mặt lý thuyết: Làm rõ các phương pháp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống giao thông công cộng đường sắt đô thị; mở rộng kiến thức tích hợp năng lượng tái tạo vào phương tiện vận tải; xây dựng cơ sở lý thuyết mới về điều khiển và quản lý năng lượng trong các hệ thống điện tử công suất phức tạp.
• Về mặt thực tiễn: Đề xuất một giải pháp kỹ thuật cụ thể, khả thi và kinh tế, giúp các đơn vị quản lý đường sắt đô thị giảm thiểu chi phí tiền điện vận hành, giảm phát thải khí nhà kính và giảm áp lực thiếu điện cục bộ cho hệ thống điện lưới khu vực đô thị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của thuật toán MPPT P&O: Đồ án chỉ rõ sự tồn tại dao động công suất xung quanh điểm MPP lý thuyết ở trạng thái xác lập, gây ra tổn thất năng lượng. Đồng thời, việc lựa chọn bước nhiễu loạn cố định tạo ra sự đánh đổi tất yếu: nếu bước lớn sẽ tăng tốc độ đáp ứng động nhưng làm dao động xác lập lớn; nếu bước nhỏ sẽ giảm tổn thất xác lập nhưng làm chậm đáp ứng khi bức xạ thời tiết thay đổi đột ngột.
• Hạn chế về phạm vi triển khai: Các kết quả của đồ án dừng lại ở mức độ tính toán thiết kế kỹ thuật và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink dựa trên thông số thiết kế tuyến Nhổn – Ga Hà Nội; chưa có điều kiện kiểm chứng trên mô hình phần cứng thực nghiệm thực tế tại hiện trường.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành: Kỹ thuật điện, Điện tử công suất, Hệ thống điện và Năng lượng tái tạo cần tài liệu tham khảo về mô hình toán học pin quang điện (1 diode, 2 diode), phương pháp thiết kế bộ biến đổi Boost DC-DC, thuật toán MPPT (P&O, INC) và kỹ thuật điều khiển bộ chỉnh lưu tích cực.
• Kỹ sư và nhà nghiên cứu giao thông đường sắt: Cung cấp số liệu thiết kế mẫu, thông số trạm điện kéo 22 kV, cách thức bố trí mặt bằng tấm pin áp mái nhà ga đường sắt đô thị và mô hình tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào mạng điện kéo metro.

Câu hỏi thường gặp

1. Tuyến tàu điện Nhổn – Ga Hà Nội có quy mô trạm điện kéo và cấp điện áp như thế nào trong đồ án?

Tuyến gồm 6 trạm điện kéo phân bố dọc tuyến (đặt tại Ga Nhổn, Phú Diễn, Lê Đức Thọ, Chùa Hà, Kim Mã, Văn Miếu với khoảng cách phụ trách cấp điện từ 1.120 m đến 2.345 m) và 1 trạm biến áp điện kéo tại Depot. Toàn bộ hệ thống sử dụng cấp điện áp 22 kV.

2. Loại tấm pin mặt trời và các thông số lắp đặt được lựa chọn cho các nhà ga là gì?

Tác giả lựa chọn tấm pin của hãng JinkoSolar thuộc dòng Tiger Neo N-type 60HL4-(V) có công suất 460 – 480 Wp. Tấm pin được đặt với góc nghiêng lệch $13^\circ$ so với mặt bằng nhà ga theo hướng Nam, khoảng cách giữa 2 tấm liền kề là $0{,}127\text{ m}$ và khoảng cách giữa các dãy pin là $0{,}5\text{ m}$.

3. Công suất lắp đặt ước tính tại khu Depot và 8 ga trên cao đạt bao nhiêu?

Khu vực Depot Metro Nhổn – Ga Hà Nội dự kiến lắp 6.217 tấm pin với tổng công suất ước tính đạt 2.984 kWp. Mỗi nhà ga trong số 8 ga trên cao lắp đặt 716 tấm pin với công suất ước tính là 343,7 kWp/ga (tổng 8 ga đạt khoảng 2.749,6 kWp).

4. Tại sao diện tích lắp đặt tại Ga Cầu Diễn được đánh giá là hoàn toàn khả thi trong thực tế?

Qua khảo sát thực tế, mái Ga Cầu Diễn có chiều dài 108 m và chiều rộng khảo sát 22 m, tương đương diện tích $2.376\text{ m}^2$. Khi bố trí 716 tấm pin PV, diện tích che phủ tính toán chỉ là $1.545\text{ m}^2$, nhỏ hơn nhiều so với diện tích mái, đảm bảo đủ không gian bố trí khoảng hở kỹ thuật và lối đi bảo dưỡng.

5. Vai trò của bộ chỉnh lưu tích cực (CLTC) trong hệ thống tích hợp là gì?

Bộ CLTC đóng vai trò biến đổi điện năng hai chiều giữa thanh cái DC Bus và lưới điện trạm kéo 22 kV. Khi điện mặt trời không đủ, bộ CLTC lấy điện từ lưới cấp cho tàu; khi điện mặt trời dư thừa hoặc tàu hãm tái sinh, năng lượng dư trên DC Bus được bộ CLTC đưa trả về lưới điện 22 kV.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Huỳnh Hữu Lợi đã hoàn thành thiết kế giải pháp tích hợp hệ thống điện mặt trời áp mái và bộ chỉnh lưu tích cực cho tuyến tàu điện Nhổn – Ga Hà Nội. Nghiên cứu đã xây dựng đầy đủ mô hình toán học cho mảng pin quang điện, mạch lực bộ tăng áp DC-DC tích hợp MPPT và cấu trúc bộ chỉnh lưu tích cực trao đổi năng lượng hai chiều. Các kết quả mô phỏng trên nền tảng Matlab/Simulink khẳng định tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của mô hình trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng sạch cho giao thông công cộng đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .3 Hệ thống PV hòa lưới  Ưu điểm: 7 Hệ thống nối với lưới điện, bạn có thể sử dụng điện mặt trời vào ban ngày, điện dư thì dẫn vào lưới điện bán cho công ty điện lực. Buổi chiều hoặc tối thì bạn lại sử dụng điện từ công ty điện lực cung cấp. vì vậy hệ thống này thường ít phụ thuộc vào công ty điện lực, giảm được điện mà nhà máy sản xuất bằng các phương thức gây ô nhiễm môi trường.

Không sử dụng bình acquy: giảm đáng kể chi phí đầu tư và bảo dưỡng cho hệ thống acquy. Ứng dụng rộng rãi cho mọi nơi như: các hộ dân, cơ quan, đơn vị đang có điện lưới quốc gia. Không sử dụng bình acquy: giảm đáng kể chi phí đầu tư và bảo dưỡng cho hệ thống acquy. Việc lắp đặt và sử dụng đơn giản, chi phí bảo trì bảo dưỡng thấp, gần như bằng không, nên thời gian thu hồi vốn được rút ngắn tối đa và chắc chắn theo dự tính đầu tư ban đầu.

 Nhược điểm: Hệ thống này nếu điện lưới bị cắt thì điện năng từ các panel mặt trời cũng bị cắt, để đảm bảo an toàn cho lưới điện. Vì hệ thống này khi kết nối nguồn năng lượng điện sản xuất từ năng lượng điện từ các dãy pin mặt trời với lưới điện quốc gia thì nó giống như hệ thống máy phát nối với lưới điện. Khi đưa công suất điện lên lưới cần phải trung hòa điện và tần sồ để trùng với lưới điện.2 Hệ thống PV độc lập Đây là một hệ thống không kết nối với lưới điện quốc gia. Nó cho phép các nhà sản xuất sử dụng năng lượng điện mà được sản xuất trực tiếp.

Công suất thường được lưu trữ trong ắc-quy khi mức sản lượng vượt quá mức nhu cầu. Đây là loại hệ thống đặc biệt hữu ích tại các khu vực trên thế giới nơi mà không có lưới điện quốc gia, chẳng hạn như ở các nước đang phát triển, trường học, bệnh viện, hệ thống đèn đường,… Hệ thống này thường liên quan đến việc sử dụng các pin quang điện nhỏ hơn nhiều so với các pin quang điện được sử dụng trong hệ thống kết nối lưới điện do nhu cầu điện là thấp hơn đáng kể. 8 Hình CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .4 Hệ thống PV độc lập Dạng đơn giản nhất của hệ thống PV độc lập là hệ thống PV độc lập trực tiếp.

Khi đó, ngõ ra DC của các PV nối trực tiếp với tải DC. Vì vậy, không có bộ phận lưu trữ điện trong hệ thống và tải chỉ hoạt động ban ngày, phù hợp với các ứng dụng như quạt thông gió, bơm nước,…  Ưu điểm: - Hệ thống này có thể cung cấp điện liên tục dù lưới điện có bị gặp sự cố. - Nhược điểm: - Hệ thống này ghép từ hệ thống độc lập và hệ thống nối với lưới điện nên cấu tạo phức tạp, chi phí tốn kém hơn rất nhiềuvà bảo trì khó khăn. - Yêu cầu người lắp phải có kinh nghiệm và trình độ chuyên môn.

Tổng quan chung về tuyến tàu điện Nhổn – Ga Hà Nội Tuyến tàu Nhổn-Ga Hà Nội là tuyến đường sắt trên cao đang được xây dựng và là một phần của hệ thống mạng lưới Đường sắt đô thị Hà Nội. Tuyến bắt đầu tại ga Nhổn ở quận Bắc Từ Liêm và kết thúc ở Ga Hà Nội ở quận Đống Đa, đi qua 8 ga trên cao và 4 ga ngầm với tổng chiều dài là 12,5 km, trong đó đoạn trên cao (Nhổn-Cầu Giấy) dài 8,5 km và đoạn đi ngầm (Cầu Giấy-Ga Hà Nội) dài 4 km. Hệ thống mái các ga trên cao có chiều 9 dài mái 108m, rộng 24m và cao 22m.