Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài. Chương 2: Giới thiệu tổng quan về mạch tăng áp tỷ số biến áp cao. Chương 3: Giới thiệu các kỹ thuật tăng áp đã được đề xuất. Chương 4: Đề xuất mạch tăng áp DC-DC tỷ số biến áp cao mới và đánh giá hiệu quả của mạch qua mô hình hóa mô phỏng.
Chương 5: Kết luận 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan Do mối quan tâm về môi trường toàn cầu và sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hóa thạch, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (RESs) và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) ngày càng tăng mang lại những thách thức mới cho công nghệ chuyển đổi năng lượng. Thông thường, các thiết bị lưu trữ hoặc sản xuất năng lượng điện (như là ắc -quy, pin, pin nhiên liệu và quang điện mặt trời) được hình thành bằng cách mắc nối tiếp nhiều tế bào điện áp thấp, để tạo ra đủ điện áp phục vụ cho những ứng dụng mong muốn. Tuy nhiên, việc mắc nối tiếp các tế bào này làm giảm hiệu suất hệ thống, làm tăng thêm độ phức tạp cho hệ thống và có thể làm tăng nhiệt độ do dung sai chế tạo và điều kiện vận hành khác nhau giữa các tế bào. Đối với ắcquy và pin, điều này có thể liên quan đến trạng thái sạc pin.
Trong tấm pin mặt trời, nó có thể là do sự thay đổi trong bức xạ mặt trời hay hiện tượng bị che bóng một phần của tấm pin mặt trời. Những hệ thống cung cấp năng lượng xanh đòi hỏi một bộ chuyển đổi DC-DC tỷ số cao, hiệu quả cao ở khối chức năng chuyển đổi năng lượng. Các ứng dụng điển hình bao gồm biến tần kết nối lưới [9][10][11][12], dẫn động động cơ [13], hệ thống cung cấp điện liên tục (UPS) [14][15], hệ thống nguồn máy chủ viễn thông / mạng [16], xe điện (EV) [17] , đèn phóng điện cường độ cao (HID) [18][19] và hệ thống phát điện phân tán (DPG) [20]. Hơn nữa, những hệ thống được cung cấp bởi các nguồn năng lượng điện áp thấp như pin Li-ion, pin mặt trời và pin nhiên liệu ngày càng đòi hỏi tỷ số biến áp cao, thường là gấp mười lần hoặc cao hơn, vì những ứng dụng này cần sử dụng một mức điện áp DC tương đối cao và ổn định.
Bên cạnh đó, phải nhìn nhận rằng tổng chi phí của một hệ thống năng lượng tái tạo khá cao, cho nên việc sử dụng bộ chuyển đổi hiệu quả cao là cần thiết. Các bộ chuyển đổi boost là các cấu trúc liên kết không cách ly đơn giản nhất tạo ra điện áp đầu ra lớn hơn điện áp nguồn. Tuy nhiên, các bộ chuyển đổi boost thường phải hoạt động ở tỷ số thời gian cực cao để đạt được điện áp cao (đặc biệt là 6 mười lần). Đây là một điểm hoạt động không mong muốn vì diode đầu ra duy trì xung ngắn, biên độ cao dẫn đến tổn thất phục hồi ngược nghiêm trọng.
Bên cạnh đó, khi điện áp đầu ra tăng lên, điện áp định mức của các linh kiện chuyển mạch bán dẫn tăng, linh kiện có điện áp định mức cao thì điện trở dẫn cao, làm tăng tổn thất dẫn của linh kiện bán dẫn và làm giãm đáng kể hiệu suất của hệ thống. Hơn nữa, khi tỷ số thời gian tiến tới 1, điện áp đầu ra giảm về 0 và hiệu suất giảm xuống 0. Hậu quả là, bộ chuyển đổi có đáp ứng động yếu với những thay đổi tham số hệ thống và các biến động tải tiềm năng. Đây là tính chất điển hình của các bộ biến đổi có đặc tính boost.
Thách thức đối với bất kỳ bộ tăng áp DC-DC tỷ số biến áp cao nào là tránh hoạt động với tỷ số thời gian cực cao. Thay vì một bộ chuyển đổi boost một cấp thông thường, bộ chuyển đổi boost ghép tầng là một giải pháp hấp dẫn để tăng độ lợi điện áp mà không cần phải hoạt động ở tỷ số thời gian cực cao. Tuy nhiên, các bộ điều khiển phải được đồng bộ, và sự ổn định của bộ chuyển đổi là một mối quan tâm khác [21]. Hơn nữa, giai đoạn thứ hai có thể chịu tổn hao công suất nghiêm trọng liên quan đến phục hồi ngược trong các ứng dụng công suất cao.
Ngoài ra, năng lượng phải được chuyển đổi hai lần, rõ ràng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả tổng thể. Các bộ chuyển đổi cổ điển với các liên kết từ tính như bộ chuyển đổi phi hồi (flyback) hoặc kéo đẩy (push-pull) có thể dễ dàng đạt được tỷ lệ chuyển đổi cao hơn, bằng cách lựa chọn tỷ số vòng dây phù hợp. Một trong những cấu trúc liên kết dựa trên biến áp thường dùng nhất là bộ chuyển đổi phi hồi. Hạn chế chính của các cấu trúc liên kết dựa trên biến áp là sinh ra gai điện áp khi chuyển mạch chính ngắt, do sự tương tác giữa điện cảm rò của biến áp với tụ điện ký sinh của chuyển mạch.
Để giảm thiểu các hiệu ứng này, các kỹ thuật thu hồi năng lượng phải được áp dụng để thu lại năng lượng rò rỉ [22]. Hơn nữa, kích thước và trọng lượng của biến áp là một vấn đề khác cản trở việc phát triển bộ chuyển đổi nhỏ gọn, mật độ công suất cao. Do đó, trong thực tế, các kiểu mạch chuyển đổi này không cung cấp một giải pháp tối ưu trong các ứng dụng cung cấp điện nhạy cảm với vấn đề chi phí. 7 Luận văn đặc biệt quan tâm tới các nghiên cứu về các bộ tăng áp DC-DC tỷ số biến áp cao do nhu cầu sử dụng các bộ chuyển đổi trong việc thu hoạch tất cả năng lượng có sẵn ngày càng tăng với những ứng dụng điển hình cần có các bộ tăng áp DC-DC tỷ số biến áp cao và hiệu quả cao.
Hai tính năng này là trọng tâm của mọi nghiên cứu về bộ chuyển đổi tăng áp. Các bộ chuyển đổi boost cơ bản hoạt động dựa trên kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) với tỷ số thời gian cực lớn để đạt được tỷ số tăng áp cao (mười lần hoặc cao hơn). Hoạt động với tỷ số thời gian thích hợp là cái đích được nhắm tới, vì từ lâu hoạt động với tỷ số thời gian cực cao đã được biết là nguyên nhân gây ra nhiều hạn chế cho hoạt động của các bộ tăng áp tỷ số cao. Một trong các khuyết điểm chính của việc hoạt động với tỷ số thời gian quá lớn là vấn đề tổn hao phục hồi ngược của diode đầu ra do dòng xung ngắn có biên độ lớn.
Hơn nữa, vấn đề phục hồi ngược của diode đầu ra có thể dẫn đến tổn thất chuyển mạch cao hơn khi chuyển mạch đóng. Vì lý do này, có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các bộ tăng áp tỷ số cao bằng cách làm giảm tổn thất phục hồi ngược diode để giảm đáng kể tổn thất chuyển mạch. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng điện áp hoạt động của linh kiện công suất trong bộ chuyển đổi tăng áp truyền thống bằng với điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi. Một mối quan tâm khác liên quan đến hiệu quả của các bộ chuyển đổi tăng áp là các thông số định mức của linh kiện công suất.
Một linh kiện có điện áp định mức cao hơn, có điện trở ở trạng thái dẫn cao hơn không phải là lựa chọn tốt cho hoạt động ở trạng thái ổn định khi dòng đầu vào cao (khi MOSFET dẫn, dòng điện qua điện trở ở trạng thái dẫn Rds-on gây tổn thất dẫn truyền cũng làm giảm hiệu quả). Thách thức đối với tăng áp tỷ số cao là phải giảm đáng kể tổn thất dẫn truyền. Hoạt động ở tỷ số thời gian thích hợp, giảm tổn thất dẫn truyền và giảm thiểu vấn đề phục hồi ngược của diode có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của bộ chuyển đổi. Do đó mục đích của nhiều nghiên cứu còn nhằm tìm kiếm các phương pháp cải thiện hiệu suất cho các bộ chuyển đổi tăng áp.2 Các ứng dụng chuyển đổi DC-DC cao áp 8 Nhiều ứng dụng cung cấp điện bằng năng lượng tái tạo cần có bộ tăng áp DC- DC tỷ số biến áp cao và hiệu quả cao trong khối chức năng chuyển đổi nguồn.
Ví dụ điển hình bao gồm biến tần kết nối lưới [9][10][11][12], đèn phóng điện cường độ cao (HID) [18], ô tô điện (EV) [23] và hệ thống cấp điện liên tục (UPS) [14][15]. Một số ứng dụng mới đòi hỏi bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC tỷ số cao được mô tả ngắn gọn trong phần sau.1 Hệ thống quang điện kết nối lưới Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của quang điện mặt trời (PV) là phát điện, đặc biệt là ở các nước có lượng bức xạ mặt trời đáng kể. Ứng dụng có thể là hệ thống độc lập hoặc được kết nối với lưới. Hệ thống điện PV nối lưới là một phân khúc phát triển nhanh chiếm tỷ trọng cao trong các ứng dụng PV và ngày càng tăng nhanh.
Theo IEA, đến cuối năm 2017, tổng công suất lắp đặt PV đã đạt 400GWp, trong đó Trung Quốc dẫn đầu với công suất lắp đặt 131GWp, tiếp theo là Hoa Kỳ 51GWp, Nhật 49MWp, Đức 42MWp, Ý 19,7MWp, Ấn Độ 18MWp, Anh 13MWp. Việt Nam hiện chỉ đạt 10MW trong đó PV nối lưới chiếm 60% công suất lắp đặt, dự kiến con số này sẽ tăng nhanh đến 0,85GWp vào năm 2020 và 12GWp vào năm 2030.1 Hệ thống năng lượng tái tạo kết nối lưới điện một pha Hình 2.1 cho thấy sơ đồ khối của hệ thống điện PV được kết nối lưới điển hình. Các tấm PV thường được kết nối theo chuỗi nối tiếp kết hợp với với bộ chuyển đổi có tính năng dò điểm công suất tối đa (MPP) của PV để đạt được điện áp liên kết DC. Tuy nhiên, khi xảy ra hiện tượng đổ bóng một phần hoặc hư một vài tế bào, tổn thất MPP tăng đáng kể.
Một cấu hình khác là sử dụng một phương pháp mô-đun để giảm chi phí và cải thiện hiệu quả của hệ thống MPPT, trong trường hợp 9 này, một mô-đun độc lập tích hợp bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng cho mỗi tấm PV. Tách riêng từng tấm PV như vậy làm cho cấu hình hệ thống linh hoạt và tối đa hóa công suất đầu ra. Tuy nhiên, cấu trúc liên kết thường có hai bộ chuyển đổi điện tử. Bộ chuyển đổi đầu tiên là bộ chuyển đổi tỷ số biến áp cao để nâng điện áp DC tương đối thấp của pin mặt trời lên một mức điện áp DC phù hợp, thường là 380 - 400 VDC.
Bộ chuyển đổi thứ hai là bộ biến tần DC-AC, chuyển đổi điện áp 380- 400VDC thành điện AC, đưa nguồn điện hình sin vào lưới.