Chương 1: GIỚI THIỆU BỘ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG 1.1 Giới thiệu hệ thống AC Battery ứng dụng trong bộ tích trữ năng lượng trong hộ gia đình Bộ tích trữ năng lượng trong gia đình, còn được gọi là home battery, có nhiệm vụ điều tiết công suất cho các hộ gia đình có xét đến phụ tải xe điện và góp phần nâng cao chất lượng điện năng.1 Sơ đồ phụ tải của hộ gia đình Vấn đề bù công suất đỉnh tiêu thụ theo nhu cầu sinh hoạt của các hộ gia đình đang trở nên phổ biến ở nhiều khu vực. Mô tả một cách đơn giản, trong ngày sẽ có 2 thời điểm mà nhu cầu sử dụng điện tăng cao vào khoảng 6 giờ sáng và 6 giờ tối. Thông số thống kê cho thấy ở khu vực biển Bắc, máy biến áp phân phối sẽ quá tải tại cao điểm tối nếu 20% hộ gia đình sạc xe vào thời điểm này. Nếu không có sự phối hợp sạc điện, điện áp sụt dưới ngưỡng cho phép tại thời điểm 6h tối với 30% hộ gia đình sạc xe với công suất 3kW hoặc chỉ 10% hộ gia đình sạc ở công suất 7kW.
Trong khi đó, năng lượng mặt trời lại tập trung chủ yếu vào thời điểm buổi trưa, khi tải tiêu thụ nhỏ. Lúc này các bộ tích trữ năng lượng trong gia đình trở nên cần thiết, được sử dụng như một nguồn linh hoạt với khả năng tích trữ năng lượng tái tạo để bù đảm bảo công suất đỉnh tại những lúc cao điểm. Đối với tình hình trong nước, theo thống kê tới tháng 5/2023, do vấn đề môi trường, EVN thông báo thiếu hụt công suất điện lên tới 1600MW – 1900MW. Đồng thời, với 4000 trụ sạc của Vinfast hiện nay, phụ tải xe điện được coi là đáng kể với công suất ước tính từ 400MW đến 1000MW.
Các bộ tích trữ năng lượng trong gia đình trở nên cần thiết, được sử dụng như một nguồn linh hoạt với khả năng tích trữ năng lượng tái tạo để bù đảm bảo công suất đỉnh tại những lúc cao điểm. Hiện nay, có 2 cấu hình phổ biến cho cấu trúc bộ tích trữ năng lượng trong gia đình (home battery) là cấu hình DC-Coupled và AC-Coupled.2 Cấu hình DC-Coupled Đối với cấu hình DC-Coupled như trên hình 1.5, pin đóng vai trò là nguồn năng lượng DC trung gian, được sạc trực tiếp từ pin mặt trời và cung cấp năng lượng cho các tải gia đình thông qua một bộ nghịch lưu.3 Cấu hình AC-Coupled Đối với cấu hình AC-Coupled như trên hình 1.6, một bus AC chung được sử dụng trong gia đình để trao đổi các nguồn năng lượng: lưới điện, năng lượng của tấm pin mặt trời và pin thông qua các bộ nghịch lưu. Ở đây, đồ án tập trung vào cấu trúc AC-Coupled vì các ưu điểm của cấu hình này so với cấu hình DC- Coupled khả năng linh hoạt kết nối với hệ thống PV Solar đã có sẵn trong các hộ gia đình, dễ dàng mở rộng các module, khả năng cách ly pin trong trường hợp sự cố, hiệu suất cao hơn khi cấp năng lượng trong ngày ở dải công suất cao (từ 6kW trở lên).4 Cấu hình AC Battery Để tối ưu thiết kế cấu hình AC- Coupled, hãng Telsa đã đưa ra giải pháp AC Battery, một sản phẩm tích hợp pin và tầng biến đổi điện tử công suất như hình 1.7, với đầu ra của bộ AC Battery sẽ kết nối trực tiếp bus AC của hộ gia đình. Như vậy, hệ thống AC Battery cho hộ gia đình sẽ giống như 1 micro-grid, tích hợp các nguồn năng lượng bao gồm: lưới điện hạ thế (1 pha hoặc 3 pha), các nguồn năng lượng phân tán (năng lượng tái tạo, bộ AC Battery, pin trên xe điện) và tải tiêu thụ trong gia đình.
Để đảm bảo khả năng kết nối linh hoạt ở cả 2 phía: phía pin DC và đầu ra AC, cấu trúc 2 tầng biến đổi (2-stage) điện tử công suất được lựa chọn (cấu trúc Single-state hiệu suất cao hơn nhưng có thể không linh hoạt bằng). Điều này cũng dẫn đến, vấn đề thứ tư là tuổi thọ thiết bị. Các sản phẩm AC Battery thường có thời gian sử dụng lên đến 10 năm, điều này có thể bị giới hạn khi sử dụng các tụ hoá cho bus DC giữa 2 tầng biến đổi trong các cấu trúc thông thường. Để loại bỏ hệ thống tụ hóa này đồng thời tăng mật độ công suất, cấu trúc điều khiển phù hợp với đặc tính pin và hoạt động của hệ thống cần được áp dụng.
Với 4 yêu cầu trên, cấu trúc 2 tầng bộ biến đổi điện tử công suất đề xuất cho bộ AC Battery được thể hiện như sau: Hình 1.5 Cấu hình AC Battery G2AB: Grid To AC Battery AB2L: ACBattery To Load Cấu trúc Three-port converter được sử dụng ở tầng DC/DC để kết nối với các chuẩn pin khác nhau. Cấu trúc Four-leg converter được sử dụng ở tầng DC/AC để kết nối với cả 11 lưới điện 1 pha và 3 pha. Cấu trúc Interleaved Full Bridge được sử dụng cho ứng dụng 1 pha công suất lớn (11kW) để giảm đập mạch dòng điện và cải thiện chất lượng dòng điện đầu ra. Đồng thời ở phía DC/DC, các bộ VF/CFDAB được mắc song song và phát xung interleaved.
Công nghệ sạc dòng hình sin được áp dụng cho hệ thống 1 pha, từ đó loại bỏ hệ thống tụ hóa ở bus DC, chỉ giữ lại tụ film để hạn chế các peak điện áp khi chuyển mạch.3 Cấu trúc Four-leg Converter Cấu trúc Four-leg Converter gồm cấu trúc Interleaved Full Bridge và cấu trúc ba pha bốn dây được thể hiện như hình 1.6 Cấu trúc Interleaved Full Bridge SW: controlled by software 3-phase 4-wire converter SW SW S1 S2 S3 S4 Cdc A C B N S5 S6 S7 S8 O L1 L3 L2 L4 iL1 iL3 iL2 iL4 N Stand-alone mode Grid-tied mode Hình 1.7 Cấu trúc ba pha bốn dây 12 Trong đồ án này, tập trung vào bộ biến đổi Four-leg Converter trong ứng dụng AC Battery 1 pha (bộ biến đổi Interleaved Full Bridge).4 Cấu trúc bộ biến đổi Interleaved Full Bridge Bộ Interleaved Full Bridge (hình 1.17) có một số lợi thế đáng kể so với cấu hình H-Bridge như: - Giảm đập mạch dòng điện nhờ phát xung hai cầu lệch nhau 180°. - Ngoài ra, cấu trúc này linh hoạt trong việc điều chỉnh, có thể hoạt động cả với lưới một pha hoặc ba pha, phù hợp cho nhiều ứng dụng pin ở trong các khu vực khác nhau. S2 S3 S4 S1 ia L1 A L2 ib B CDC L3 DC/DC ic C L4 io N S5 S6 S7 S8 Hình 1.8 Bộ biến đổi Interleaved Full Bridge 1.5 Yêu cầu thiết kế Vì pin vòng đời thứ hai dùng trong bộ lưu trữ cũng là pin đã được sử dụng trên xe điện nên công suất thiết kế tối thiểu phải tương đương với các bộ biến đổi trên xe điện. Do đó thông số thiết kế được chọn cho cấu trúc Interleaved Full Bridge được thể hiện qua bảng 1.
Thông số thiết kế Giá trị Công suất 6600W Điện áp DC 650V Điện áp AC 310V Tần số phát xung 50kHz Tần số cơ bản 47 - 63Hz Bảng 1.1 Thông số thiết kế bộ biến đổi ba pha bốn dây Vì bộ biến đổi được nối với lưới điện, do đó cũng cần phải quan tâm đến tiêu chuẩn nối lưới. Các tiêu chuẩn được chọn khi thiết kế là IEEE1547 và EN 50160, trong đó: IEEE1547: Tiêu chuẩn về sóng hài dòng điện đi lên lưới không được vượt quá 5%. EN 50160: Tiêu chuẩn về chất lượng điện áp lưới: THD điện áp lưới lớn nhất cho phép là 8%. Vì bộ biến đổi chạy với chế độ độc lập, do đó cũng cần quan tâm đến tiêu chuẩn 13 độc lập.
Tiêu chuẩn được chọn khi thiết kế là EN 62040-3: Tiêu chuẩn về chất lượng điện áp AC lớn nhất cho phép là 3% đối với tải tuyến tính, và 5% đối với tải phi tuyến. 14 Chương 2: Mô hình hóa bộ biến đổi Interleaved Full Bridge và thiết kế các mạch vòng điều khiển 2.1 Cấu trúc điều khiển Udc Voltage Cdc Current control en control * * Udc is - d1 PI x Bipolar S1, S 6 S5 S1 - PI PWM is1 S 2, S 5 -180 ͦ S6 S2 - PI - is2 S3 S7 d2 S 3, S 8 Bipolar S4 S8 PWM S4, S 7 L2 L4 L3 L1 Is1 Is2 vs Cos(θs) PLL en Grid Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển bộ Interleaved Full Bridge Hình trên thể hiện cấu trúc điều khiển của bộ Interleaved Full Bridge (IFB). Khác với cấu trúc H-Bridge thông thường, IFB sử dụng mạch lực gồm hai cầu H. Mỗi cầu sử dụng luật phát xung lưỡng cực ( bipolar PWM ) nhưng điểm đặc trưng là sóng mang mỗi cầu được phát lệch nhau 180 độ ( Interleaved Bipolar PWM ).
Luật phát xung này giảm đập mạch dòng điện và đưa ra hệ số THD cao hơn so với luật phát xung bipolar PWM thông thường. Hệ điều khiển sử dụng cấu trúc tiếp khiển tầng gồm hai vòng điều khiển là điều khiển dòng điện ở trong và điều khiển điện áp DC bên ngoài. Đầu ra của vòng điều khiển điện áp trở thành tham chiếu đầu vào của vòng điều khiển dòng điện. Vòng điều khiển dòng điện có tác dụng loại bỏ các nhiễu quá trình tác động lên dòng điện cũng như nâng cao chất lượng điện áp đầu ra, vòng điều khiển điện áp có tác dụng giữ cho giá trị điện áp đầu ra ổn định tại giá trị đặt.
Ngoài ra mạch vòng khóa pha PLL có nhiệm vụ bảo đảm dòng điện đồng pha với điện áp lưới.2 Mô hình hóa bộ điều khiển và xác định các hàm truyền đối tượng Để đơn giản hóa, ta coi cấu trúc IFB tương đương với cấu trúc cầu H và thực hiện mô hình hóa trên cấu trúc cầu H.2 Cấu trúc cầu H một pha 2.1 Mô hình hóa và thiết kế mạch vòng dòng điện Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện thay thế cho mạch vòng dòng điện Từ hình 3.3 ta viết được phương trình: di en = rL .1) rút ra hàm truyền: is ( s ) 1 1 Gdt ( s ) = = = (2.2) en ( s ) − us ( s ) r (1 + L s ) rL (1 + Ts ) L rL L Với T = (2.5) Ti s L L Sử dụng phương pháp triệt tiêu điểm cực, ta chọn Ti = , Kp = (2.6) rL Tqd với Tqd chọn bằng một phần năm tần số lưới.2 Mô hình hóa và thiết kế mạch vòng điện áp Mạch vòng điện áp có nhiệm vụ điều khiển điện áp trên tụ DC có giá trị 16 đúng với giá trị đặt.