Đồ án nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500W tại HCMUTE

Khám phá đồ án HCMUTE nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500W, ứng dụng và tiềm năng trong năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Lê Cao Ngọc Phúc
• Người hướng dẫn: TS. Quách Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500W
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG THỰC HIỆN
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. NGUYÊN TẮC NGHỊCH LƯU MỘT PHA

Tóm tắt

I. Tổng Quan

Đề tài 'Nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời dưới 500W tại HCMUTE' tập trung vào việc phát triển và ứng dụng công nghệ nghịch lưu trong hệ thống điện mặt trời. Nghiên cứu này nhằm mục đích cải thiện hiệu suất và tính ổn định của hệ thống điện mặt trời, đặc biệt là trong bối cảnh nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng tăng. Hệ thống năng lượng mặt trời được coi là một giải pháp bền vững, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí năng lượng cho hộ gia đình. Đề tài cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển công nghệ biến tần và hòa lưới điện để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời.

1.1 Đặt Vấn Đề

Trong bối cảnh hiện nay, việc sử dụng năng lượng tái tạo trở thành một xu hướng tất yếu. Đặc biệt, điện mặt trời đã chứng minh được tiềm năng lớn trong việc cung cấp năng lượng sạch. Tuy nhiên, việc chuyển đổi và hòa lưới điện mặt trời vẫn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc duy trì hiệu suất năng lượng và ổn định điện áp. Đề tài này nghiên cứu nghịch lưu một pha PWM, nhằm cải thiện khả năng chuyển đổi từ điện một chiều sang điện xoay chiều, đồng thời đảm bảo tính đồng bộ với lưới điện. Việc này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi.

1.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tìm hiểu và phát triển công nghệ nghịch lưu cho hệ thống điện mặt trời có công suất dưới 500W. Cụ thể, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phân tích và thiết kế bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC) nhằm tăng cường hiệu suất của hệ thống. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng sẽ khảo sát các giải pháp để đồng bộ hóa hệ thống với lưới điện, đảm bảo điện áp đầu ra ổn định và chất lượng điện năng đạt tiêu chuẩn. Đề tài cũng hướng đến việc ứng dụng công nghệ DSP trong việc điều khiển và giám sát hệ thống, từ đó nâng cao tính tự động hóa và hiệu quả hoạt động của hệ thống.

II. Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày các nguyên lý cơ bản về nghịch lưu và biến đổi điện áp trong hệ thống điện mặt trời. Nghiên cứu sẽ đi sâu vào các phương pháp điều chế xung PWM, nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC, và cách thức đồng bộ hóa với lưới điện. Việc hiểu rõ các nguyên lý này là rất quan trọng để thiết kế và phát triển hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả. Đặc biệt, việc sử dụng công nghệ năng lượng tái tạo không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

2.1 Nguyên Tắc Nghịch Lưu Một Pha

Nghịch lưu một pha là thiết bị chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều. Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu dựa trên việc điều khiển các công tắc bán dẫn như IGBT hoặc MOSFET để tạo ra sóng điện áp xoay chiều. Việc sử dụng PWM giúp điều chỉnh độ rộng xung, từ đó kiểm soát điện áp đầu ra. Hệ thống này không chỉ giúp chuyển đổi năng lượng hiệu quả mà còn đảm bảo chất lượng điện năng đầu ra đạt tiêu chuẩn. Đặc biệt, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều chế xung PWM sẽ giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống.

2.2 Biến Đổi DC DC Tăng Áp

Bộ biến đổi DC-DC có vai trò quan trọng trong việc tăng cường điện áp đầu vào cho hệ thống nghịch lưu. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi này dựa trên việc sử dụng các mạch tăng áp, giúp nâng cao điện áp từ các tấm pin mặt trời trước khi đưa vào nghịch lưu. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu số lượng tấm pin cần thiết mà còn tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu này sẽ khảo sát các phương pháp thiết kế mạch tăng áp, từ đó đưa ra giải pháp tối ưu cho hệ thống điện mặt trời.

III. Kết Quả và Đánh Giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời dưới 500W có khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả. Các thử nghiệm cho thấy điện áp đầu ra đạt yêu cầu với tần số 50Hz và điện áp 220V xoay chiều. Hệ thống cũng cho thấy khả năng duy trì điện áp ổn định ngay cả khi cường độ ánh sáng giảm. Chất lượng điện áp đầu ra đảm bảo dạng sóng sin chuẩn với THD nhỏ hơn 8%, phù hợp với các yêu cầu đồng bộ lưới của Nhà nước. Những kết quả này chứng minh tính khả thi và hiệu quả của hệ thống trong việc cung cấp năng lượng sạch và bền vững.

3.1 Đánh Giá Hiệu Suất

Hiệu suất của hệ thống được đánh giá dựa trên các thông số như điện áp đầu ra, tần số và chất lượng sóng điện áp. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng duy trì điện áp ổn định trong các điều kiện khác nhau, từ đó khẳng định tính hiệu quả của giải pháp nghịch lưu và biến đổi DC-DC. Việc sử dụng công nghệ PWM trong điều khiển cũng góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi.

3.2 Ứng Dụng Thực Tiễn

Hệ thống nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ. Việc sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm chi phí điện mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Đặc biệt, trong bối cảnh Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo, nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc xây dựng các giải pháp năng lượng bền vững, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày những lý luận về lý thuyết mạch, những nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu, để từ đó kết nối chúng lại và xây dựng thành hệ thống. Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế.

Chương này trình bày phần thiết kế mạch, tính toán các giá trị, thông số linh kiện, biến áp … Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Chương này trình bày sơ đồ nguyên lí và hình ảnh thực tế các phần của hệ thống. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá. Chương này so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm.

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương này đánh giá về các kết quả khoa học đạt được và các mặt hạn chế của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 NGUYÊN TẮC NGHỊCH LƯU MỘT PHA Thiết bị nghịch lưu là thiết bị có khả năng chuyển đổi dòng điện một chiều ra dòng điện xoay chiều, có tần số có thể thay đổi được.

Việc phân loại nghịch lưu có thể dựa vào sơ đồ hoặc theo quá trình điện tử. Theo sơ đồ thì có nghịch lưu một pha và nghịch lưu ba pha, theo quá trình điện tử xảy ra thì có nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng. Ở đây do đề tài nghiên cứu nghịch lưu 1 pha từ nguồn áp một chiều, nên đối tượng chính trong chương cơ sở lý thuyết là các hệ thống nghịch lưu áp một pha. Nghịch lưu áp một pha có thể được thực hiện bằng các sơ đồ nghịch lưu nửa cầu, sơ đồ cầu, sơ đồ kiểu đẩy kéo [4].1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi Hình 2.

Sơ đồ nguyên lý mạch nửa cầu dùng nguồn đôi Sơ đồ nghịch lưu nửa cầu dùng nguồn đôi được trình bày ở hình (2. Các khóa công suất S1, S2 có chức năng đóng ngắt để tạo sự thay đổi dòng điện và điện áp trên tải. Khi hai tiếp điểm này thay phiên nhau đóng ngắt, thì điện áp và dòng điện qua tải sẽ có sự thay đổi. Để không bị ngắn mạch thì các khóa S1 và S2 không được trùng dẫn và để đảm bảo dòng liên tục qua tải thì tại 1 thời điểm có ít nhất một khóa dẫn.

Tức là nếu gọi TSi là trạng thái khóa thứ i (i là 1 hoặc 2) thì: 𝐓𝐒𝟏 + 𝐓𝐒𝟐 = 𝟏 (2.1) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi S1 dẫn, S2 không dẫn, dòng điện It từ B qua A. Điện áp trên tải Ut = U. Ngược lại, khi S2 dẫn, S1 không dẫn, dòng điện It từ A qua B.

Điện áp trên tải Ut = -U. Do đó điện áp trên tải được xác định theo trạng thái các khóa như ở bảng (2. Bảng trạng thái nghịch lưu nửa cầu TS1 TS2 Ut 0 1 -U 1 0 U Một cách tổng quát điện áp trên tải được xác định theo trạng thái khóa như sau: 𝐔𝐭 = 𝐓𝐒𝟏 .4) cho thấy trạng thái kích 2 khóa là đảo của nhau và điện áp ra phụ thuộc trạng thái kích của các khóa và được xác định qua cách điều chế.2 Sơ đồ cầu Sơ đồ nghịch lưu nửa cầu cho thấy tại 1 thời điểm chỉ có 1 trong 2 nguồn tác dụng. Vì thế hiệu suất nghịch lưu là khá thấp (<50%).

Một trong các cách để nâng cao hiệu suất là thực hiện nghịch lưu theo sơ đồ cầu hình (2. Sơ đồ nguyên lí mạch cầu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT So với sơ đồ nửa cầu số khóa công suất tăng gấp đôi, do đó điện áp rơi (tổng trên các khóa) tại mỗi thời điểm cũng tăng tương ứng. Phần mạch chính của sơ đồ cầu là 4 khóa công suất (S1 đến S4) được mắc thành 2 nhánh.

Nhánh trái gồm S1 và S4 và nhánh phải gồm S2 và S3. Các khóa trong 1 nhánh không được cùng dẫn để đảm bảo không ngắn mạch nguồn U. Do đó, nếu gọi TSi là trạng thái khóa thứ i (i là 1, 2, 3 hoặc 4) thì: 𝐓𝐒𝟏 + 𝐓𝐒𝟒 = 𝟏 và 𝐓𝐒𝟐 + 𝐓𝐒𝟑 = 𝟏 (2.5) Do đó điện áp trên tải sẽ phụ thuộc trạng thái các khóa công suất và có giá trị như ở bảng (2. Bảng trạng thái nghịch lưu cầu TS1 TS2 Ut 0 0 0 0 1 -U 1 0 U 1 1 0 Như vậy so với sơ đồ nửa cầu thì điện áp trên tải của sơ đồ cầu có thể có nhiều mức hơn (3 mức [-U, 0, U]) nên độ méo hài tổng (THD) khi sử dụng sơ đồ này sẽ nhỏ hơn.2) có thể xác định điện áp trên tải theo trạng thái các khóa như sau: 𝐔𝐭 = (𝐓𝐒𝟏 − 𝐓𝐒𝟐 ).6) Nếu thực hiện điều chế với TS2 = 1-TS1 (khóa S1 là đảo của khóa S2) thì công thức (2.6) trở lại như (2.4) có nghĩa là chúng ta không tận dụng được mức 0 để giảm THD.

Do đó khi xây dựng giải thuật điều khiển với nghịch lưu cầu chúng ta sẽ thực hiện điều chế riêng biệt với 2 tín hiệu này. Điều này có nghĩa là ta sẽ sử dụng 2 bộ PWM riêng biệt. Để giảm số khóa công suất người ta còn giới thiệu thêm sơ đồ nghịch lưu áp kiểu đẩy kéo hình (2. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu áp Để sử dụng mạch nghịch lưu kiểu đẩy kéo người ta sử dụng biến áp có sơ cấp có điểm giữa như hình (2.

Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu áp Tuy nhiên do ảnh hưởng hỗ cảm của các cuộn dây của máy biến áp và đặc tính từ trễ nên điện áp trên tải sẽ bị méo dạng khá nhiều và làm tăng THD. Do đó sơ đồ này thường chỉ áp dụng với nghịch lưu mà điện áp trên tải có dạng xung vuông hoặc tam giác ( không sin ).2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG PWM Trong phần trước đã trình bày thì điện áp thì điện áp ra trên tải của nghịch lưu được quyết định bởi trạng thái các khóa công suất trong sơ đồ. Việc xác định các trạng thái kích của các khóa được thực hiện bằng một mạch điện phần cứng hoặc chương trình phần mềm mà ta gọi là kỹ thuật (phương pháp) điều chế.1 Mô tả kĩ thuật PWM Phương pháp điều chế xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông kích các khóa công suất (TSi), dẫn đến sự thay đổi điện áp ra theo (2. Khi thực hiện bằng phần cứng, mạch điều chế PWM sẽ có cấu tạo như hình (2.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT a) b) Hình 2. Mạch điều chế PWM (a) Cách tạo xung PWM và (b) Xung PWM được mô phỏng trong PSIM Như vậy điều chế PWM nhằm tạo xung kích Vpwm bằng cách so sánh điện áp điều khiển (Vsin) và điện áp sóng mang dạng xung răng cưa hoặc tam giác (Vsaw), tần số xung tam giác phải rất lớn so với tần số sóng điều khiển. Do đó, trong 1 chu kỳ sóng tam giác (TS) điện áp sóng điều khiển gần như không thay đổi biên độ hình (2.

Với mỗi biên độ điện áp điều khiển Vsin, ta sẽ xác định được xung kích Vpwm với độ rộng xung ton theo điện áp điều khiển như (2. 𝐓𝐒 𝐕𝐬𝐚𝐰,𝐏𝐏 Trong đó Vsin là biên độ sóng Vsin trong chu kỳ đang xét, Vsaw,PP là biên độ đỉnh đỉnh của sóng mang tam giác và TS là chu kỳ của nó. Với sóng mang tam giác như hình 2.4b thì Vsaw,PP =2 do đó (2.7) được viết lại: 𝐕𝐬𝐢𝐧 (2. 𝐓𝐒 𝟐 Nếu chúng ta cấp xung Vpwm cho các cực G của IGBT trong cấu hình bán cầu hoặc cầu thì điện áp ra trên tải sẽ thay đổi theo ton.

Tức là điện áp trên tải của các sơ đồ sẽ thay đổi theo Vsin. Do đó nếu chọn điện áp điều khiển dạng sin thì chúng ta sẽ thu được điện áp trên tải sẽ có thành phần hài bậc 1 như điện áp điều khiển dạng sin. Và đây chính là nguyên tắc để chúng ta tạo ra nghịch lưu sin PWM. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Điện áp điều khiển (Vsin), điện áp sóng mang và điện áp trên tải với cấu hình nghịch lưu nửa cầu PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển từ các bộ biến đổi AC/AC, DC/DC đến các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu. Ngày nay điều chế PWM chính là cốt lõi của điện tử công suất. Có 2 phương pháp điều chế xung PWM là: - Điều chế PWM bằng phần cứng: Là phương pháp so sánh, sử dụng trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như: 555, LM556.

- Điều chế PWM bằng phần mềm: ưu điểm của việc sử dụng phần mềm là độ chính xác cao về tần số PWM cũng như đơn giản hóa về mạch nguyên lý. Xung PWM tạo ra dựa trên xung của CPU nguồn. Có khá nhiều phần mềm và chip điều khiển để thực hiện công việc này, như: chip 8051, vi điều khiển họ 16F, hay Card DSP TMS320F28335… Vì vậy, nhóm chọn phương pháp điều chế xung PWM bằng phần mềm và sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335. Card DSP TMS320F28335 tích hợp nhiều ngõ ra GPIO, ADC thích hợp cho đề tài và được hổ trợ chuyển đổi code từ phần mềm PSIM.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 do an CHƯƠNG 2.3 TẠO XUNG PWM DỰA TRÊN PHẦN MỀM PSIM, CCS VÀ CARD DSP TMS320F28335 Vẽ sơ đồ và sử dụng các khối hỗ trợ trong PSIM. Sơ đồ nguyên lý tạo xung PWM trong PSIM (a) Xung PWM điều khiển cho IGBT và (b) Điều chỉnh thông số trong khối 1-ph PWM Trong khối 1-ph PWM hình (2.b), ta có thể cài đặt các thông số cho dạng sóng ngõ ra như: tần số, biên độ đỉnh của xung tam giác, GPIO ngõ ra… Kết quả mô phỏng của việc so sánh xung răng cưa và hàm sin, ta được chuỗi xung vuông có độ rộng thay đổi hình (2. Dạng sóng PWM ngõ ra Tạo chương trình biên dịch để nạp vào Card DSP 320F28335. Khi có được đoạn chương trình trên, ta sử dụng trình biên dịch CCS (Code Composer Studio) để nạp vào Card DSP TMS320F28335 là có thể tạo ra xung PWM như yêu cầu đặt ra.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 do an CHƯƠNG 2.