Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên) ngày càng cạn kiệt và gây suy thoái môi trường, việc nghiên cứu khai thác nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, trở thành một chiến lược cấp thiết tại Việt Nam. Ngày 11/4/2017, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam, tạo động lực thúc đẩy các nghiên cứu ứng dụng hòa lưới điện phân phối.

Qua khảo sát các công trình nghiên cứu trước đó, tác giả chỉ ra các rào cản kỹ thuật chính:

  • Nghiên cứu của Hà Đạo Biên và Nguyễn Công Trường ("Hệ Thống Điện Mặt Trời Phục Vụ Hộ Gia Đình") thực hiện nghịch lưu trực tiếp điện áp từ pin mặt trời không qua ắc quy rồi tăng áp qua máy biến áp lên 220VAC. Giải pháp này giúp loại bỏ ắc quy nhưng hiệu suất thấp, khó bám điểm làm việc cực đại (MPPT) và điện áp ngõ ra suy giảm nhanh khi tăng tải.
  • Nghiên cứu của Trương Việt Anh và Nguyễn Bá Thuận (2010, Tạp chí Phát triển Khoa học & Công nghệ ĐHQG-HCM) yêu cầu nguồn DC biên độ lớn, buộc phải mắc nối tiếp nhiều tấm pin, làm tăng tổng trở trong và sụt áp lớn, đồng thời chỉ dừng lại ở mô phỏng lý thuyết.
  • Nghiên cứu của Trần Quang Thơ, Lê Thanh Lâm và Trương Việt Anh (2015, Tạp chí IJEET) đề xuất thay đổi chu kỳ đóng cắt để giảm tổn hao chuyển mạch, tuy nhiên việc điều chỉnh tần số sóng mang của bộ PWM trên mô hình thực nghiệm gặp nhiều khó khăn.

Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài đề xuất giải pháp tích hợp bộ biến đổi tăng áp một chiều (DC-DC Boost Converter) phía trước bộ nghịch lưu cầu 1 pha nhằm nâng cao điện áp DC đầu vào, loại bỏ nhu cầu mắc nối tiếp quá nhiều tấm pin, đồng thời không sử dụng hệ thống ắc quy lưu trữ nhằm tiết kiệm chi phí và tăng tuổi thọ hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Tìm hiểu về Card DSP TMS320F28335 phục vụ điều khiển hệ thống.
  2. Tìm hiểu nguyên lý và kỹ thuật nghịch lưu dòng điện một chiều (DC) thành xoay chiều (AC).
  3. Nghiên cứu phương pháp và cấu hình biến đổi điện áp một chiều tăng áp (DC-DC).
  4. Nghiên cứu và tìm hiểu nguyên lý đồng bộ điện áp hòa lưới phân phối 220VAC / 50Hz.

Nội dung thực hiện:

  • Nội dung 1: Phân tích bộ nghịch lưu 1 pha PWM sử dụng bán dẫn công suất.
  • Nội dung 2: Nghiên cứu bộ biến đổi điện áp một chiều.
  • Nội dung 3: Thiết kế mạch nghịch lưu 1 pha.
  • Nội dung 4: Thiết kế bộ tăng áp DC-DC.
  • Nội dung 5: Lập trình điều khiển trên DSP.
  • Nội dung 6: Chạy thử nghiệm, đánh giá kết quả và khắc phục sự cố.
  • Nội dung 7: Viết báo cáo đồ án.
  • Nội dung 8: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nghịch lưu 1 pha và bộ tăng áp DC-DC phục vụ phát điện mặt trời.
  • Phạm vi công suất: Hệ thống công suất nhỏ dưới 500W; mô hình thực nghiệm sử dụng 2 tấm pin quang điện công suất 50W/tấm (tổng công suất định mức 100W).
  • Phạm vi thông số lưới: Lưới điện phân phối xoay chiều 1 pha tại Việt Nam (220VAC, tần số 50Hz).
  • Giới hạn hệ thống: Đồ án tập trung tạo ra nguồn điện áp xoay chiều có cùng biên độ, tần số, pha và độ méo hài đạt chuẩn đồng bộ với lưới điện; chưa thực hiện đóng trực tiếp tiếp điểm cấp tải vào lưới điện quốc gia.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Từ ngày 10/10/2017 đến ngày 15/01/2018 tại Phòng thí nghiệm Điện tử công suất D405, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nền tảng lý thuyết điện tử công suất và kỹ thuật điều khiển số:

  • Nguyên lý nghịch lưu áp 1 pha: Khảo sát ba cấu hình cơ bản gồm sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi, sơ đồ đẩy kéo và sơ đồ cầu đầy đủ (cầu H). Sơ đồ cầu H 4 van IGBT được chọn vì cho phép tạo ra điện áp ngõ ra 3 mức (+U, 0, -U), giúp giảm độ méo hài tổng (THD) và nâng cao hiệu suất so với sơ đồ nửa cầu (hiệu suất < 50%).
  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (SPWM): Tạo chuỗi xung kích bằng cách so sánh tín hiệu điều khiển hình sin ($V_{sin}$) với tín hiệu sóng mang tam giác ($V_{saw}$) tần số cao (10kHz). Tỷ lệ thời gian mở van ($t_{on}$) biến thiên theo hàm sin giúp điện áp ngõ ra sau nghịch lưu chứa thành phần sóng hài bậc 1 chuẩn.
  • Nguyên lý tăng áp DC-DC (Boost Converter): Sử dụng cấu trúc biến đổi tăng áp dựa trên việc tích lũy và phóng năng lượng của cuộn cảm kết hợp tụ điện khi van bán dẫn chuyển mạch ON/OFF, thỏa mãn phương trình quan hệ điện áp: $U_o = U_i / (1 - D)$.
  • Điều kiện đồng bộ lưới điện: Đáp ứng 4 tiêu chuẩn bắt buộc: cùng tần số (50Hz), cùng biên độ điện áp (220VAC), cùng góc pha ($\alpha = 0^\circ$), và độ méo hài tổng điện áp thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật ($THD \le 8%$).

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích - tính toán lý thuyết: Xác định các thông số kỹ thuật định mức của van bán dẫn, mạch kích cách ly quang, thời gian trễ chống trùng dẫn (deadtime), bộ lọc thụ động LC và mạch phân áp cảm biến.
  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình kiểm chứng hoạt động của bộ tăng áp DC-DC, mạch nghịch lưu cầu H và giải thuật đồng bộ trên phần mềm chuyên dụng PSIM.
  • Phương pháp thiết kế và lập trình nhúng: Sử dụng môi trường Code Composer Studio (CCS) để lập trình, biên dịch và nạp thuật toán điều khiển cho vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 (Texas Instruments).
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo toàn bộ phần cứng (bo nguồn, bo kích, bo công suất, bo cảm biến), kết nối tấm pin quang điện ngoài trời và tiến hành đo đạc dạng sóng điện áp, dòng điện, góc pha và THD trên thiết bị đo chuyên dụng.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo sơ đồ khối liên kết chặt chẽ từ nguồn quang điện đến ngõ ra xoay chiều đồng bộ:

[Pin mặt trời] ---> [Mạch Boost DC-DC] ---> [Mạch nghịch lưu cầu H] ---> [Mạch lọc LC] ---> [Máy biến áp] ---> [Lưới điện/Tải]
       |                    |                       ^
       v                    v                       |
[Mạch hồi tiếp Vpin]  [Mạch hồi tiếp Vdc]     [Mạch kích & Deadtime]
       |                    |                       ^
       +-----------> [Card DSP TMS320F28335] --------+
                            ^
                            |
             [Mạch hồi tiếp điện áp lưới AC]

1. Phân tích và tính toán các khối chức năng

Khối chức năng Cấu hình & Linh kiện chính Thông số kỹ thuật thiết kế
Nguồn pin mặt trời 2 tấm pin quang điện (36 cell/tấm) $P_{max} = 50\text{W}$, $V_{mp} = 18.2\text{V}$, $I_{mp} = 2.74\text{A}$, $V_{oc} = 23.27\text{V}$, $I_{sc} = 2.94\text{A}$
Khối tăng áp DC-DC Cấu hình ghép nối tiếp 2 tầng Boost, tụ lọc ngõ ra Điện áp vào: 15–20VDC; Điện áp ra: 150–250VDC; Tụ hóa $C = 470\mu\text{F} / 400\text{V}$
Khối nghịch lưu 1 pha Cầu H 4 khóa bán dẫn IGBT FGA25N120ANTD Điện áp chịu đựng $V_{CES} = 1200\text{V}$, dòng định mức $I_C = 25\text{A}$ ($100^\circ\text{C}$), $I_{CM} = 90\text{A}$, $V_{GE} = \pm 20\text{V}$
Khối kích lái & Deadtime Optocoupler PC817, cổng logic 74HC14, 74HC32, mạch RC Thời gian chết $t_{deadtime} = 3\mu\text{s}$, tụ $C = 0.01\mu\text{F}$, điện trở $R = 220\Omega$, tần số đóng cắt $f_{sw} = 10\text{kHz}$
Khối nguồn phụ trợ IC ổn áp LM7805, LM7812, 5 module Mornsun G1215S-1W Nguồn logic: 5VDC – 1A ($C_{loc} = 2200\mu\text{F}/50\text{V}$); Nguồn cách ly kích IGBT: 5 ngõ ra $\pm 15\text{VDC}$
Khối lọc ngõ ra Mạch lọc thụ động LC thuần kháng Tần số cắt $f_0 = 1150\text{Hz}$, cuộn cảm $L = 3\text{mH}$, tụ điện $C = 6\mu\text{F}$
Khối hồi tiếp cảm biến Cầu phân áp điện trở tuyến tính Chuyển đổi mức áp đo được (Pin, DC-DC, Lưới) về dải an toàn $0 \div 3\text{VDC}$ của bộ ADC trên DSP

2. Thiết kế chi tiết mạch kích và chống trùng dẫn (Deadtime)

Để ngăn ngừa ngắn mạch nhánh cầu khi các IGBT chuyển trạng thái, mạch kích được tích hợp khối Deadtime tạo trễ $3\mu\text{s}$ dựa trên hằng số thời gian nạp xả tụ điện:

  • Ngưỡng logic cao $V_H = 3.5\text{V}$, ngưỡng logic thấp $V_L = 0.8\text{V}$.
  • Điện trở hạn dòng qua LED optocoupler ($V_{LED} = 1.2\text{V}, I_{LED} = 10\text{mA}$): $R_3 = R_4 = 330\Omega$.
  • Điện trở mạch phân nhánh lái cực G nhằm đảm bảo dòng nạp cực $I_G \approx 30\text{mA}$: $R_7 = R_{12} = 330\Omega$, $R_8 = R_9 = R_{10} = R_{11} = 470\Omega$.
  • Mạch lái sử dụng Optocoupler PC817 đảm bảo cách ly quang hoàn toàn giữa khối điều khiển điện áp thấp (DSP) và khối mạch động lực công suất cao.

3. Giải thuật điều khiển nhúng trên DSP TMS320F28335

  • Giải thuật ổn định áp DC-DC: Đo điện áp ngõ ra DC-DC qua bộ chuyển đổi ADC, so sánh với giá trị điện áp đặt $U_{ref}$ (từ 150V đến 250VDC) để tự động điều chỉnh độ rộng xung PWM kích van Boost, duy trì ngõ ra không đổi khi cường độ bức xạ thay đổi.
  • Giải thuật điều chế SPWM nghịch lưu: Thiết lập tần số sóng mang tam giác 10kHz, so sánh với hàm sin chuẩn 50Hz để sinh 2 cặp xung PWM kích độc lập hai nhánh cầu nghịch lưu.
  • Giải thuật đồng bộ pha: Đọc tín hiệu điện áp lưới qua cảm biến hồi tiếp để đồng bộ tần số, phát hiện điểm chuyển mức và căn chỉnh góc pha của điện áp nghịch lưu bám sát điện áp lưới ($\alpha = 0^\circ$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng Quan

Trình bày tính cấp thiết của nguồn năng lượng mặt trời theo Quyết định 11/2017/QĐ-TTg. Phân tích chi tiết ưu - nhược điểm của 3 công trình nghiên cứu tiêu biểu trong nước và quốc tế. Xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống nghịch lưu hòa lưới công suất dưới 500W sử dụng 2 tấm pin 50W, cấu trúc giải pháp bổ sung bộ tăng áp DC-DC, nêu 8 nội dung triển khai và xác định phạm vi giới hạn của đề tài.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Khảo sát nguyên lý các bộ biến đổi công suất:

  • Phân tích trạng thái đóng ngắt của nghịch lưu nửa cầu ($U_t = \pm U$) và nghịch lưu toàn cầu ($U_t \in {-U, 0, U}$), chứng minh nghịch lưu cầu giảm đáng kể thành phần sóng hài bậc cao.
  • Trình bày công thức điều chế PWM: xác định độ rộng xung $t_{on} = (V_{sin} / V_{saw,PP}) \times T_S$.
  • Phân tích nguyên lý nạp/xả năng lượng của mạch tăng áp Boost Converter ở chế độ dòng liên tục trong hai khoảng $T_{ON}$ và $T_{OFF}$.
  • Giới thiệu cấu trúc vật lý, đặc tính chuyển mạch của IGBT FGA25N120ANTD, module DSP TMS320F28335 và phần mềm biên dịch Code Composer Studio.

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

Trình bày các bước tính toán thông số phần cứng:

  • Xác định điện áp DC đầu vào nghịch lưu tối thiểu $U_{DC} \ge 180\text{VDC}$ để tạo ra điện áp xoay chiều hiệu dụng 110VAC trước khi qua máy biến áp nâng lên 220VAC.
  • Tính toán dòng tải cực đại qua IGBT ($I_{C,max} = 180\text{mA}$ với tải $1.2\text{k}\Omega$).
  • Tính chọn linh kiện mạch Deadtime ($t = 3\mu\text{s}, R = 220\Omega, C = 0.01\mu\text{F}$) và mạch lái cách ly quang PC817.
  • Thiết kế bo nguồn phụ trợ: ổn áp 5VDC – 1A dùng LM7805 ($C = 2200\mu\text{F}$ để độ gợn sóng $< 10%$) và nguồn $\pm 15\text{VDC}$ dùng 5 bộ Mornsun G1215S-1W.
  • Tính toán bộ lọc LC ngõ ra ($f_0 = 1150\text{Hz}, L = 3\text{mH}, C = 6\mu\text{F}$) nhằm đưa $THD \le 8%$.
  • Thiết kế mạch cảm biến phân áp tuyến tính đưa tín hiệu về dải $0 \div 3\text{VDC}$ cho chân ADC của DSP.

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Mô tả quy trình chế tạo thực tế:

  • Thi công giá đỡ cố định 2 tấm pin mặt trời 50W.
  • Lắp ráp và hàn hoàn thiện 7 bo mạch chức năng: bo nguồn $\pm 15\text{VDC}$, bo nguồn 5VDC, bo mạch kích và Deadtime, bo hồi tiếp điện áp pin, bo hồi tiếp điện áp DC-DC, bo hồi tiếp điện áp lưới AC, bo công suất tăng áp DC-DC và cầu nghịch lưu IGBT.
  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý mô phỏng và lưu đồ thuật toán trên phần mềm PSIM.
  • Lập trình nhúng trên CCS, thiết lập các thanh ghi PWM, ADC và nạp code xuống DSP TMS320F28335.

Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá

Trình bày kết quả đo kiểm mô phỏng và thực nghiệm:

  • Kiểm chứng giải thuật ổn định điện áp mạch Boost DC-DC ở các mức điện áp đặt từ 150V, 160V, 180V, 200V, 220V đến 250VDC khi thay đổi cường độ ánh sáng chiếu xạ.
  • Đo kiểm dạng sóng kích cực G của 4 van IGBT ở tần số 10kHz.
  • Khảo sát dạng sóng điện áp xoay chiều ngõ ra và đo độ méo hài tổng THD ở các cấp điện áp DC-DC khác nhau (đạt $THD = 8.5%$ khi chưa lọc tối ưu và $\le 8%$ sau lọc LC).
  • Kiểm tra tính năng bám pha giữa điện áp nghịch lưu và điện áp lưới trong hai trạng thái có tải và không tải.

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Tổng kết các hạng mục đã hoàn thành về phần cứng và thuật toán điều khiển, chỉ ra các hạn chế tồn tại và đề xuất các giải pháp phát triển mở rộng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính

Hạng mục kiểm tra Giá trị thiết kế / Yêu cầu Kết quả thực nghiệm đạt được Đánh giá
Điện áp Boost DC-DC 150V – 250VDC Tự động ổn định chính xác tại các mức đặt 150V, 160V, 180V, 200V, 220V, 250V Đạt yêu cầu ổn định áp
Khả năng chịu sụt giảm ánh sáng Duy trì áp ngõ ra Giữ nguyên điện áp ngõ ra khi cường độ ánh sáng suy giảm tới 30% Thuật toán bù PWM hoạt động tốt
Điện áp xoay chiều ngõ ra ($U_{AC}$) 220VAC hiệu dụng Đạt 220VAC (sau biến áp nâng từ 110VAC nghịch lưu) Đúng chuẩn lưới điện Việt Nam
Tần số ngõ ra ($f$) 50 Hz Ổn định chính xác ở 50 Hz Bám chuẩn tần số lưới
Góc lệch pha ($\alpha$) $\alpha = 0^\circ$ (trùng pha lưới) Dạng sóng sin ngõ ra bám sát và trùng pha hoàn toàn với điện áp lưới Đạt điều kiện hòa đồng bộ
Độ méo hài tổng ($THD$) $\le 8%$ (TCVN) $THD = 8.5%$ (trước tối ưu) và $< 8%$ (sau mạch lọc LC) Đạt chuẩn kết nối lưới
Thời gian trễ Deadtime $3\mu\text{s}$ Dạng sóng đo thực tế đạt đúng trễ $3\mu\text{s}$ giữa 2 van cùng nhánh Chống ngắn mạch hoàn toàn

2. Giải pháp và đề xuất kỹ thuật của tác giả

  • Ứng dụng cấu hình Boost DC-DC 2 tầng ghép nối tiếp giúp tăng tỉ số biến đổi điện áp lên gấp đôi so với mạch Boost đơn truyền thống ($U_o = 2U_i / (1-D)$), cho phép nâng trực tiếp nguồn pin điện áp thấp (~18-20VDC) lên mức 180-250VDC mà không làm van bán dẫn phải hoạt động ở hệ số điều chế (duty cycle) quá cao.
  • Loại bỏ hoàn toàn khối ắc quy trung gian, giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu, nâng cao tuổi thọ tổng thể và thân thiện hơn với môi trường.
  • Thiết kế mạch kích tích hợp Deadtime bằng linh kiện logic phần cứng kết hợp cách ly quang Opto PC817, giúp bảo vệ an toàn cho bộ điều khiển DSP khi làm việc ở tần số cao 10kHz.

3. Đóng góp khoa học và kỹ thuật

  • Khắc phục triệt để nhược điểm sụt áp do mắc nối tiếp nhiều tấm pin trong nghiên cứu của Trương Việt Anh & Nguyễn Bá Thuận (2010).
  • Khắc phục nhược điểm giảm hiệu suất và suy giảm áp ngõ ra khi mang tải của hệ thống nghịch lưu trực tiếp trong đề tài của Hà Đạo Biên & Nguyễn Công Trường.
  • Hiện thực hóa thành công mô hình thực nghiệm phần cứng hoàn chỉnh được điều khiển bằng vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335, thay vì chỉ dừng lại ở các kết quả mô phỏng lý thuyết.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Quy mô công suất thực nghiệm: Do điều kiện kinh phí và trang thiết bị thi công, đề tài mới dừng lại ở việc thử nghiệm trên 2 tấm pin mặt trời 50W (tổng công suất lý tưởng 100W), chưa vận hành thử nghiệm ở mức kịch trần công suất 500W như tên gọi đề tài.
  • Chức năng hòa lưới trực tiếp: Hệ thống mới thực hiện tạo điện áp xoay chiều có biên độ, tần số, góc pha và THD đồng bộ với điện áp lưới; chưa tích hợp rơ-le và mạch đóng cắt tự động để hòa dòng trực tiếp vào lưới điện quốc gia.
  • Giải thuật điều khiển nguồn quang điện: Mạch tăng áp DC-DC mới dừng lại ở giải thuật ổn định điện áp theo giá trị đặt, chưa tích hợp thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) để tối ưu hóa việc khai thác năng lượng từ tấm pin dưới mọi điều kiện thời tiết phức tạp.

2. Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Nâng cấp phần cứng công suất để vận hành ở dải công suất lớn hơn (từ 500W đến vài kW).
  • Nghiên cứu và cài đặt thuật toán MPPT (như P&O hoặc Incremental Conductance) trên DSP TMS320F28335.
  • Thiết kế bổ sung khối đóng cắt hòa lưới tự động, rơ-le bảo vệ chống hòa sai pha và cơ chế bảo vệ chống vận hành độc lập (anti-islanding) khi lưới điện mất điện.
  • Tối ưu hóa thêm mạch lọc tích cực hoặc bộ lọc LCL để giảm sâu hơn nữa độ méo hài $THD$ ($< 5%$).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Năng lượng tái tạo.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Phương pháp tính toán mạch lái và Deadtime: Cung cấp đầy đủ công thức giải tích xác định dòng kích cực G của IGBT, tính toán thời gian trễ $3\mu\text{s}$ chống trùng dẫn bằng mạch RC và cổng logic 74HC14/74HC32.
  • Thiết kế mạch Boost 2 tầng: Cung cấp sơ đồ nguyên lý và công thức tính toán mạch tăng áp ghép tầng để nâng áp DC từ pin mặt trời lên dải cao áp 180–250VDC.
  • Quy trình kết nối DSP TMS320F28335 với PSIM và CCS: Tài liệu hướng dẫn chi tiết các bước thiết lập cấu hình khối PWM, ADC từ phần mềm mô phỏng và cách chuyển dịch sang môi trường Code Composer Studio để nạp trực tiếp xuống phần cứng.
  • Tính toán mạch lọc LC: Phương pháp xác định tần số cắt $f_0 = 1150\text{Hz}$ để triệt tiêu sóng hài đóng cắt 10kHz, đảm bảo độ méo hài tổng điện áp đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại bổ sung bộ biến đổi DC-DC tăng áp phía trước nghịch lưu thay vì nối tiếp nhiều tấm pin mặt trời?
Nếu mắc nối tiếp nhiều tấm pin để đạt điện áp cao, tổng trở trong của nguồn phát sẽ tăng lên, dẫn đến hiện tượng sụt áp rất lớn khi mang tải và làm giảm hiệu suất toàn hệ thống. Việc sử dụng mạch Boost DC-DC cho phép chỉ dùng ít tấm pin (nguồn điện áp thấp ~18–20V) nhưng vẫn nâng được lên điện áp DC cao (180–250V), giúp ổn định hệ thống và tối ưu hóa hiệu suất.

2. Điện áp DC đầu vào của bộ nghịch lưu được tính toán tối thiểu là bao nhiêu và căn cứ vào đâu?
Điện áp DC đầu vào tối thiểu được xác định là $U_{DC} \ge 180\text{VDC}$. Giá trị này được tính từ yêu cầu tạo ra điện áp xoay chiều hiệu dụng 110VAC (với chỉ số điều chế $m = 0.866$) theo công thức $U_{AC,1} = m \cdot U_{DC} / \sqrt{2}$, trước khi đưa qua máy biến áp để nâng lên 220VAC hòa đồng bộ với lưới điện.

3. Mạch Deadtime trong hệ thống có chức năng gì và được thiết kế với thông số như thế nào?
Mạch Deadtime có nhiệm vụ tạo thời gian trễ ($3\mu\text{s}$) khi chuyển mạch giữa hai van IGBT trên cùng một nhánh cầu, ngăn ngừa hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạch nguồn DC. Mạch được thiết kế bằng cách kết hợp cổng NOT 74HC14, cổng OR 74HC32 cùng mạch trễ RC với tụ điện $C = 0.01\mu\text{F}$ và điện trở $R = 220\Omega$.

4. Mạch lọc LC ở ngõ ra nghịch lưu được tính toán với các giá trị cuộn cảm và tụ điện là bao nhiêu?
Mạch lọc LC được thiết kế với tần số cắt $f_0 = 1150\text{Hz}$ để lọc bỏ sóng hài đóng cắt (10kHz) của phương pháp SPWM. Giá trị tụ điện được chọn là $C = 6\mu\text{F}$ và độ tự cảm của cuộn dây tính toán được là $L = 3\text{mH}$, giúp đưa độ méo hài tổng $THD$ về mức dưới $8%$.

5. Kết quả thực nghiệm của mạch Boost DC-DC khi cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi như thế nào?
Hệ thống điều khiển trên DSP TMS320F28335 tự động điều chỉnh độ rộng xung PWM của mạch Boost để bù áp. Kết quả thực nghiệm cho thấy điện áp ngõ ra DC-DC vẫn duy trì ổn định ở các mức điện áp đặt (từ 150V đến 250VDC) ngay cả khi cường độ ánh sáng suy giảm trong phạm vi cho phép lên tới 30%.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500W" đã hoàn thành việc nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số trên PSIM và thi công thực nghiệm hoàn chỉnh hệ thống nghịch lưu không dùng ắc quy điều khiển bằng DSP TMS320F28335. Hệ thống đã hiện thực hóa giải pháp tăng áp DC-DC hai tầng ghép nối tiếp, duy trì điện áp ngõ ra ổn định khi bức xạ ánh sáng suy giảm 30% và tạo ra điện áp xoay chiều 220VAC / 50Hz có dạng sin chuẩn với độ méo hài $THD \le 8%$ đồng bộ hoàn toàn về pha với lưới điện phân phối. Mặc dù còn hạn chế về quy mô công suất thử nghiệm (100W) và chưa tích hợp thuật toán MPPT nâng cao, công trình đã giải quyết tốt các bài toán kỹ thuật nền tảng về nghịch lưu SPWM, mạch kích Deadtime và đồng bộ điện áp hòa lưới.