Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự cố thiên tai cực đoan, điển hình như siêu bão Sandy đổ bộ vào nước Mỹ năm 2012 gây thiệt hại ước tính 71 tỷ USD và làm mất điện diện rộng cho 3,5 triệu hộ dân, đã thúc đẩy các tranh luận học thuật về tính hiệu quả của mô hình cấp điện phân tán so với lưới điện tập trung truyền thống. Trong xu thế chuyển dịch năng lượng, việc phát triển các lưới điện siêu nhỏ (Microgrid) trở thành giải pháp hạn chế thiệt hại khi lưới điện quốc gia gặp sự cố. Theo định nghĩa của Navigant Research được tác giả trích dẫn: "Lưới điện siêu nhỏ là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (DER - Distributed Energy Resources), một số phụ tải và hệ thống đo đếm, hệ thống này có thể hoạt động như một lưới điện độc lập, tách khỏi lưới điện phân phối hiện hành".

Tuy nhiên, việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo như quang điện và phong điện đối mặt với rào cản kỹ thuật lớn do tính chất bất định, phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện khí hậu và thời tiết. Sự dao động công suất đầu vào kết hợp với sự thay đổi của phụ tải tiêu thụ làm mất cân bằng năng lượng tức thời, dẫn tới hiện tượng trôi dạt điện áp trên thanh cái một chiều (BUS-DC). Sự gia tăng điện áp quá mức hoặc sụt áp đột ngột trên BUS-DC có nguy cơ gây mất ổn định toàn hệ thống và phá hỏng các thiết bị tiêu thụ. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài tập trung giải quyết bài toán ổn định điện áp trên thanh cái BUS-DC thông qua bộ biến đổi hai chiều kết hợp hệ thống lưu trữ năng lượng.

Văn bản xác định 06 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống Microgrid.
  2. Nắm bắt cách thức hoạt động của một bộ chuyển đổi DC-DC.
  3. Học được cách thiết kế và thi công bo mạch điện tử đơn giản.
  4. Biết cách mô phỏng hệ thống trên phần mềm PSIM.
  5. Có khả năng vận hành một số thiết bị mô phỏng nguồn năng lượng tái tạo.
  6. Ổn định điện áp trên BUS-DC ở mức 48 VDC đối với phụ tải công suất nhỏ, khoảng 300W.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thanh cái một chiều BUS-DC 48 VDC được cấp điện bởi nguồn pin mặt trời, nguồn tuabin gió (đều tích hợp thuật toán dò điểm công suất cực đại - MPPT) và bộ biến đổi hai chiều DC-DC (Bidirectional Converter) kết nối với ắc quy lưu trữ 24V. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở mô hình thực nghiệm hoạt động ở chế độ độc lập (islanded mode) với tổng công suất hệ thống cực đại 400W (nguồn cung cấp 200W, nút ắc quy 200W), tải tiêu thụ gồm các bóng đèn sợi đốt công suất từ 20W đến 70W (tổng công suất tải thử nghiệm khoảng 300W). Nghiên cứu được thực hiện trong thời gian 15 tuần (từ ngày 04/03/2019 đến ngày 10/07/2019) tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết lưới điện vi mô, điện tử công suất và mô hình hóa nguồn năng lượng tái tạo:

  • Lý thuyết lưới điện siêu nhỏ (Microgrid): Tiếp cận mô hình mạng lưới quy mô nhỏ tích hợp nguồn phát phân tán DER, hệ thống tích trữ năng lượng (ắc quy) và phụ tải nội bộ.
  • Mô hình hóa pin quang điện (PV): Sử dụng sơ đồ mạch điện tương đương gồm nguồn dòng quang sinh $I_{ph}$ mắc song song với một diode, điện trở nối tiếp $R_s$, điện trở song song $R_{sh}$ và tải $R_L$. Phân tích đặc tính phi tuyến thông qua các đường cong quan hệ $I-V$, $P-V$, $P-I$ dưới tác động của sự thay đổi bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường.
  • Cấu trúc hệ thống phong điện: Phân tích khí động học tuabin gió với các thành phần cơ bản: cánh quạt (Blade), tháp đỡ (Tower), máy phát điện (Generator - PMSG), vỏ bọc bảo vệ (Nacelle) và cánh đuôi định hướng (Tail rudder).
  • Bộ chuyển đổi DC-DC: Khảo sát nguyên lý hoạt động ở các chế độ dẫn liên tục của mạch tăng áp (Boost Converter, hệ số truyền đạt áp $V_o = \frac{V_d}{1-D}$), mạch giảm áp (Buck Converter, $V_o = D \cdot V_d$) và mạch biến đổi hai chiều (Bidirectional Converter) sử dụng 2 van đóng cắt MOSFET công suất ($S_1, S_2$), cuộn cảm lọc $L_p$ và tụ điện thanh cái $C_{bus}$.
  • Giải thuật điều khiển: Ứng dụng giải thuật Nhiễu loạn và Quan sát (Perturb and Observe - P&O) để dò điểm công suất cực đại (MPP); giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM) phân đoạn cho bộ biến đổi hai chiều dựa trên độ lệch điện áp BUS-DC.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm phần cứng:

  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch động lực và thuật toán điều khiển trên phần mềm chuyên dụng PSIM, mô phỏng các kịch bản đóng/cắt tải đột ngột (tải 20 $\Omega$ và 16 $\Omega$) để kiểm tra đáp ứng quá độ của điện áp BUS-DC và dòng điện ắc quy.
  • Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Thiết kế mạch in (PCB) và thi công thực tế mạch Boost MPPT và mạch Bidirectional Converter; lập trình thuật toán điều khiển trên kit vi điều khiển Arduino.
  • Nguồn dữ liệu thực nghiệm: Dữ liệu đo đạc thực tế thu nhận từ hệ thống thiết bị phòng thí nghiệm chuyên dụng gồm Bộ mô phỏng nguồn gió nhân tạo De Lorenzo DL WIND-B3 (tích hợp quạt gió điều khiển biến tần và máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG) và Bộ nguồn giả lập dàn pin năng lượng mặt trời Chroma Solar Array Simulation Soft Panel.
Thành phần nghiên cứu Công cụ / Phần cứng sử dụng Thông số / Quy chuẩn áp dụng
Phần mềm mô phỏng PSIM Chu kỳ đóng ngắt tải tại $t = 0.1s$ và $t = 0.3s$
Vi điều khiển Nền tảng Arduino Lập trình thuật toán P&O thích nghi và điều khiển PWM
Bộ mô phỏng gió DL WIND-B3 Động cơ tạo gió nhân tạo kéo máy phát PMSG
Bộ mô phỏng mặt trời Chroma Soft Panel Giả lập đường cong bức xạ, giám sát điểm MPP
Thanh cái BUS-DC Tụ điện thanh cái $C_{bus}$ Điện áp danh định đặt: 48 VDC
Bộ lưu trữ năng lượng Khối ắc quy Điện áp danh định: 24 VDC

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống kỹ thuật được thiết kế theo cấu trúc phân tán liên kết qua một thanh cái một chiều BUS-DC duy nhất, bao gồm 2 khối chức năng chính: khối dò điểm công suất cực đại (MPPT) cho nguồn phát và khối biến đổi DC-DC hai chiều ổn định điện áp thanh cái.

Thiết kế phần cứng mạch động lực

  1. Mạch dò công suất cực đại MPPT: Bản chất là bộ biến đổi DC-DC cấu hình Boost, có nhiệm vụ nâng điện áp từ các tấm pin mặt trời và tuabin gió lên mức phù hợp với thanh cái, đồng thời điều khiển chu kỳ nhiệm vụ xung kích $D$ nhằm duy trì điểm làm việc tại điểm công suất cực đại (MPP). Mạch bao gồm cuộn cảm lưu trữ năng lượng từ trường, van đóng cắt bán dẫn MOSFET công suất, diode chỉnh lưu chặn dòng ngược và tụ điện lọc ngõ ra. Bo mạch được thiết kế layout PCB và gia công hoàn thiện trên mạch in sợi thủy tinh.

  2. Mạch biến đổi hai chiều (Bidirectional Converter): Mạch có cấu trúc liên kết giữa thanh cái BUS-DC (48 VDC) và khối ắc quy (24 VDC), bao gồm hai van MOSFET công suất $S_1$ và $S_2$, tích hợp diode ngược nội tại ($D_1, D_2$), cuộn cảm lọc liên kết $L_p$ và tụ điện thanh cái $C_{bus}$. Mạch vận hành linh hoạt ở hai chiều công suất:

    • Chế độ Buck (sạc ắc quy): Khi nguồn phát dư thừa công suất hoặc tải tiêu thụ giảm, van $S_1$ được điều khiển băm xung, $S_2$ ngắt, năng lượng từ BUS-DC chuyển dịch nạp vào ắc quy 24V để ghìm điện áp BUS không tăng quá cao.
    • Chế độ Boost (xả ắc quy): Khi nguồn phát suy giảm (mây che, lặng gió) hoặc tải đóng thêm công suất, van $S_2$ được điều khiển băm xung, $S_1$ ngắt, năng lượng từ ắc quy 24V được phóng ngược lên thanh cái BUS-DC để bù áp, ngăn hiện tượng sụt áp.

Thiết kế thuật toán điều khiển phần mềm

Hệ thống điều khiển được nạp vào vi điều khiển với hai chương trình xử lý tín hiệu:

  1. Giải thuật MPPT P&O thích nghi (Adaptive P&O): Thay vì sử dụng bước nhảy điện áp cố định dễ gây dao động quanh điểm cực đại, thuật toán tính toán đạo hàm công suất theo điện áp:

    • Thu thập liên tục các giá trị điện áp và dòng điện ngõ vào: $V_{in}, I_{in}$.
    • Xác định giá trị tức thời tại các chu kỳ đo thứ $k$ và $k+1$: tính độ sai lệch điện áp $dV = V_{k+1} - V_k$ và sai lệch công suất $dP = P_{k+1} - P_k$.
    • Tính toán đạo hàm sai phân: $dh = \frac{dP}{dV}$. Để xử lý lỗi toán học chia cho 0 khi hệ số $dV$ tiến về 0, thuật toán thiết lập vùng giới hạn ngưỡng: nếu $0 \le dV < 0.3$ thì gán $dV = 0.3$; nếu $-0.3 < dV \le 0$ thì gán $dV = -0.3$.
    • Hiệu chỉnh chu kỳ xung kích ngõ ra: $D = D - \Delta$, trong đó giá trị biến thiên $\Delta = k \cdot dh$ ($k$ là hệ số thực nghiệm). Cơ chế này cho phép bước nhảy độ rộng xung PWM tự động co giãn theo độ dốc đặc tuyến $P-V$, giúp hệ thống bắt điểm MPP nhanh chóng và giảm thiểu tổn hao dao động xác lập.

  2. Giải thuật điều khiển ổn định điện áp cho bộ Bidirectional: Chương trình đọc giá trị điện áp analog từ BUS-DC ($V_{bus}$) và ắc quy ($V_{int}$), thực hiện thuật toán lấy trung bình nhiều mẫu để loại bỏ nhiễu đường dây. Quy trình điều khiển chuyển trạng thái được lập trình phân đoạn theo ngưỡng điện áp:

    • Khởi động ($k_d = 2$): Khi $V_{bus} < 24V$, hệ thống chỉ có sự tham gia của ắc quy, mạch chạy chế độ khởi động với độ rộng xung cố định $D = 0.2 \cdot R$ ($R$ là giá trị độ phân giải xung PWM / top value).
    • Chuyển tiếp Boost ($cd = 1$): Khi $V_{bus}$ đạt từ 30V đến dưới 43V, mạch chuyển sang chế độ Boost với độ rộng xung ban đầu tính theo công thức lý thuyết: $$D = \left(1 - \frac{V_{in}}{48}\right) \cdot R$$ Nếu $V_{bus} < 47V$, bù trừ xung theo sai số hồi tiếp: $D = D + (48 - V_{bus})$.
    • Chuyển tiếp Buck ($cd = 0$): Khi $V_{bus} > 49V$ (hoặc vượt ngưỡng 53V với $D < 0.2 \cdot R$), mạch tự động chuyển sang chế độ Buck nhằm hạ áp và nạp ắc quy, độ rộng xung thiết lập ban đầu: $$D = \frac{V_{in}}{48} \cdot R$$ Nếu $V_{bus} > 49V$, bù trừ độ rộng xung: $D = D - (48 - V_{bus})$.
    • Vùng ổn định (47V - 49V): Khi điện áp thanh cái nằm trong dải cho phép $48V \pm 2%$, vi điều khiển giữ nguyên trạng thái hoạt động hiện hành (Buck hoặc Boost) và vi chỉnh bước nhảy xung để duy trì điện áp ổn định.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài từ các thảm họa lưới điện thực tế (siêu bão Sandy) và sự gia tăng nhu cầu sử dụng điện tại Việt Nam. Tác giả chỉ ra hạn chế của nguồn năng lượng tái tạo là tính bất ổn định cao, khó điều khiển và phụ thuộc tự nhiên. Chương này công bố mục tiêu nghiên cứu, phạm vi thực hiện tại phòng thí nghiệm trường đại học với lưới điện vi mô đơn giản có BUS-DC định mức 48 VDC, phụ tải bóng đèn sợi đốt công suất 300W. Đóng góp mới được xác định là việc triển khai giải thuật P&O thích nghi và xây dựng mô hình thực nghiệm bộ biến đổi DC-DC hai chiều tự động cân bằng công suất.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chương tập trung hệ thống hóa cơ sở toán học và vật lý của vi lưới và các bộ biến đổi công suất:

  • Phân tích ưu - nhược điểm của mô hình Microgrid trong việc vận hành kết nối hoặc độc lập với lưới phân phối.
  • Khảo sát tiềm năng phong điện tại Việt Nam (tiềm năng lý thuyết 513.360 MW, tốc độ gió ven biển từ 7 đến 11 m/s) và các dự án tiêu biểu (Hiệp Thành 78 MW, Duyên Hải 48.3 MW).
  • Khảo sát tiềm năng quang điện (cường độ bức xạ trung bình 5 kWh/m² tại miền Trung và miền Nam, số giờ nắng đạt 2.000 giờ/năm).
  • Trình bày mô hình toán học và mạch điện tương đương của tế bào quang điện (PV cell); phân tích sự dịch chuyển của điểm công suất cực đại (MPP) dưới ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ.
  • Thiết lập giản đồ thời gian, phương trình cân bằng điện áp và dòng điện trên cuộn cảm trong các chu kỳ đóng (ON) và ngắt (OFF) của mạch Buck, Boost và mạch biến đổi hai chiều Bidirectional (chế độ nạp Buck và chế độ xả Boost).
  • Phân tích nguyên lý thuật toán P&O cổ điển dựa trên dấu của tích $\Delta P \cdot \Delta V$.

Chương 3: THIẾT KẾ CẤU HÌNH HỆ THỐNG

Chương 3 trình bày chi tiết bản vẽ thiết kế phần cứng và lưu đồ thuật toán phần mềm:

  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch Boost MPPT và mạch Bidirectional Converter trên phần mềm PSIM.
  • Thiết kế mạch in PCB và quy trình thi công thực tế hai bo mạch công suất.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật P&O thích nghi, đưa ra giải pháp toán học hạn chế lỗi chia cho 0 bằng cách gán cận cho $dV$ ($0.3$ và $-0.3$) và xác lập quan hệ tỷ lệ giữa xung PWM ngõ ra với đạo hàm $\frac{dP}{dV}$.
  • Thiết lập lưu đồ giải thuật kiểm soát bộ biến đổi Bidirectional với các ngưỡng điện áp phân định rõ ràng: khởi động ($V_{bus} < 24V$), kích hoạt Boost ($30V \le V_{bus} < 43V$), duy trì ổn định ($47V \le V_{bus} \le 49V$) và kích hoạt Buck ($V_{bus} > 49V$).

Chương 4: TIẾN HÀNH MÔ PHỎNG TRÊN PSIM VÀ THÍ NGHIỆM THỰC TẾ

Nội dung chương 4 cung cấp toàn bộ kết quả kiểm chứng trên mô hình mô phỏng và hệ thống đo kiểm phòng thí nghiệm:

  • Kết quả mô phỏng PSIM: Mô phỏng kịch bản hệ thống hòa lưới BUS-DC gồm 2 bộ pin mặt trời MPPT, 1 bộ Bidirectional và khối ắc quy 24V. Khi thực hiện đóng thêm tải 20 $\Omega$ và 16 $\Omega$ tại thời điểm $t = 0.1s$ và cắt tải 20 $\Omega$ tại $t = 0.3s$, dạng sóng điện áp trên BUS-DC nhanh chóng xác lập lại giá trị 48V với sai số trong giới hạn $\pm 2%$. Dạng sóng dòng điện ắc quy thể hiện sự đổi chiều tự động: dòng mang giá trị âm khi ắc quy nạp năng lượng dư thừa và mang giá trị dương khi ắc quy phóng điện cấp cho tải.
  • Mô phỏng MPPT: Dạng sóng công suất tấm pin chứng minh rằng khi có sự phối hợp ổn định áp của mạch Bidirectional, thời gian dò tìm điểm cực đại MPPT của nguồn pin mặt trời diễn ra nhanh hơn khoảng 13 lần so với khi không có mạch Bidirectional.
  • Thực nghiệm phần cứng: Triển khai thử nghiệm với hệ thống máy phát gió PMSG De Lorenzo DL WIND-B3 và máy mô phỏng dàn quang điện Chroma. Giao diện giám sát phần mềm Arduino IDE và Chroma Soft Panel ghi nhận quá trình bắt điểm cực đại MPP và khả năng giữ điện áp BUS-DC ổn định khi thay đổi cường độ bức xạ và mức tải bóng đèn sợi đốt.

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tổng kết các hạng mục công việc đã hoàn thành: thiết kế chế tạo thành công phần cứng mạch MPPT Boost, mạch Bidirectional Converter; nạp và chạy ổn định các thuật toán điều khiển trên vi điều khiển; hoàn thành việc đo đạc, kiểm chứng trên mô hình mô phỏng PSIM và thiết bị thực nghiệm. Đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu công bố các số liệu định lượng cụ thể thu được từ quá trình mô phỏng và thực nghiệm:

  • Độ chính xác xác lập điện áp: Thanh cái BUS-DC được duy trì ổn định ở mức điện áp đặt 48 VDC với sai số xác lập trong khoảng $\pm 2%$ (tương đương biên độ dao động điện áp nằm trong dải 47V đến 49V).
  • Đáp ứng quá độ: Khi nguồn cung cấp hoặc phụ tải có sự thay đổi đột ngột (đóng/ngắt điện trở tải), độ vọt lố điện áp trên BUS-DC được kiểm soát ở mức khoảng $\pm 10%$.
  • Thời gian xác lập: Thời gian đáp ứng để hệ thống kéo điện áp thanh cái về dải ổn định sau nhiễu loạn tải trong mô phỏng diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn (khoảng dưới 0.1 giây).
  • Hiệu quả cải thiện thuật toán MPPT: Dữ liệu mô phỏng dạng sóng công suất cho thấy, dưới tác động điều tiết điện áp thanh cái của bộ Bidirectional Converter, thời gian để mạch MPPT bám bắt được điểm công suất cực đại của tấm pin quang điện nhanh hơn khoảng 13 lần so với trường hợp không có bộ Bidirectional.
  • Cơ chế lưu trữ linh hoạt: Dòng điện qua nút ắc quy tự động đảo chiều trơn tru: dòng điện âm khi hệ thống thừa công suất (chuyển sang chế độ Buck nạp điện vào ắc quy) và dòng điện dương khi hệ thống thiếu hụt công suất (chuyển sang chế độ Boost phóng điện từ ắc quy bù vào BUS-DC).
Thông số / Chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị thiết kế / Mục tiêu Kết quả đạt được (Mô phỏng & Thực nghiệm)
Điện áp danh định thanh cái BUS-DC 48 VDC Ổn định tại 48 VDC
Sai số điện áp xác lập $\pm 2%$ Đạt dải 47V – 49V ($\pm 2%$)
Độ vọt lố khi thay đổi nguồn/tải $\pm 10%$ Đạt mức kiểm soát $\pm 10%$
Điện áp định mức nguồn ắc quy 24 VDC Hoạt động nạp/xả ổn định tại 24 VDC
Tốc độ bám điểm cực đại MPPT Nhanh hơn chế độ độc lập Nhanh hơn xấp xỉ 13 lần
Công suất phụ tải thử nghiệm Khoảng 300W Vận hành với các bóng đèn sợi đốt 20W – 70W
Công suất cực đại hệ thống 400W Nguồn phát: 200W, Nút ắc quy: 200W

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án đã hiện thực hóa một mô hình thực nghiệm vi lưới DC độc lập quy mô nhỏ hoàn chỉnh. Tác giả đã thiết kế thành công giải thuật P&O cải tiến dạng thích nghi dựa trên đạo hàm bậc nhất của công suất theo điện áp ($\frac{dP}{dV}$) kết hợp xử lý điểm kỳ dị toán học, thay thế cho bước nhảy hằng số truyền thống. Đồng thời, nghiên cứu đề xuất và ứng dụng thành công cấu trúc điều khiển phân đoạn cho bộ biến đổi hai chiều Buck-Boost, đảm bảo chức năng cân bằng năng lượng tự động hai chiều giữa nguồn lưu trữ và tải tiêu thụ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế cốt lõi của đồ án được chỉ rõ trong nhận xét của giáo viên phản biện Đỗ Đức Trí: "Công suất trên thanh cái còn bé chưa ứng dụng trong thực tế". Giới hạn công suất tối đa của hệ thống chỉ đạt 400W (nguồn cung cấp 200W, nút ắc quy 200W) và phụ tải tiêu thụ thực nghiệm mới dừng lại ở mức 300W. Phụ tải sử dụng trong các bài kiểm tra thực nghiệm là các bóng đèn sợi đốt thuần trở (công suất từ 20W đến 70W), chưa phản ánh được các dạng tải công nghiệp phức tạp như tải cảm (động cơ), tải dung hoặc các phụ tải phi tuyến có dòng khởi động lớn. Bên cạnh đó, hệ thống chỉ hoạt động hoàn toàn ở chế độ độc lập (cô lập khỏi lưới điện), chưa thực hiện kết nối hay đồng bộ hóa với lưới điện phân phối xoay chiều quốc gia.

Về hướng phát triển tiếp theo, dựa trên các hạn chế về quy mô và cấu hình, nghiên cứu có thể mở rộng theo các hướng:

  • Nâng cấp dải công suất định mức của bộ biến đổi DC-DC hai chiều và mạch MPPT lên cấp công suất lớn hơn (hàng kilowatt) để đáp ứng nhu cầu thực tế cho hộ gia đình hoặc trạm vi lưới viễn thông.
  • Nghiên cứu và tích hợp thêm bộ nghịch lưu (Inverter) hòa lưới DC/AC để kết nối đồng bộ thanh cái BUS-DC với lưới điện phân phối hạ áp quốc gia.
  • Thử nghiệm hệ thống với các dạng phụ tải động phức tạp hơn và tối ưu hóa giải thuật điều khiển thích nghi để giảm thiểu độ vọt lố điện áp khi đóng cắt các tải công suất lớn.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Đối tượng: Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, hoặc Năng lượng tái tạo đang làm đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu về lưới điện siêu nhỏ một chiều (DC Microgrid).
  • Nội dung giá trị:
    • Quy trình thiết kế phần cứng và sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi DC-DC hai chiều (Bidirectional Converter) và mạch MPPT Boost.
    • Đoạn thuật toán chi tiết và công thức tính toán bước nhảy xung PWM thích nghi dựa trên đạo hàm $\frac{dP}{dV}$ trong thuật toán P&O.
    • Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng chuyển đổi điện năng trên phần mềm PSIM và quy trình kết nối, vận hành các thiết bị thí nghiệm chuyên dụng như hệ thống tuabin gió DL WIND-B3 và bộ giả lập quang điện Chroma.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện áp danh định trên thanh cái BUS-DC được thiết lập ở mức bao nhiêu và các chỉ tiêu chất lượng điều khiển đạt được như thế nào?
Điện áp danh định trên thanh cái BUS-DC được xác lập ở mức 48 VDC. Hệ thống đạt độ chính xác xác lập với sai số điện áp trong khoảng $\pm 2%$ (duy trì điện áp nằm trong dải 47V đến 49V). Khi có sự biến động đột ngột từ nguồn cung cấp hoặc đóng/cắt tải, độ vọt lố điện áp tức thời được khống chế ở mức khoảng $\pm 10%$.

2. Bộ biến đổi hai chiều (Bidirectional Converter) chuyển đổi giữa các trạng thái Buck và Boost dựa trên nguyên tắc điều khiển nào?
Vi điều khiển đọc giá trị điện áp trung bình của BUS-DC ($V_{bus}$) và điện áp ắc quy ($V_{in}$) để điều khiển van MOSFET:

  • Khi $V_{bus} < 24V$, mạch vận hành ở chế độ khởi động với độ rộng xung cố định $D = 0.2 \cdot R$.
  • Khi $V_{bus}$ tăng từ 30V đến dưới 43V, mạch kích hoạt chế độ Boost xả ắc quy bù áp với xung $D = (1 - \frac{V_{in}}{48}) \cdot R$, sau đó vi chỉnh $D = D + (48 - V_{bus})$ cho tới khi $V_{bus}$ đạt dải 47V - 49V.
  • Khi $V_{bus} > 49V$ (hoặc vượt 53V với xung nhỏ hơn $0.2 \cdot R$), mạch tự động chuyển sang chế độ Buck để nạp năng lượng dư vào ắc quy với xung $D = \frac{V_{in}}{48} \cdot R$ và vi chỉnh $D = D - (48 - V_{bus})$.

3. Sự tham gia của bộ biến đổi hai chiều mang lại cải thiện định lượng nào cho quá trình dò điểm công suất cực đại (MPPT) của nguồn pin mặt trời?
Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất trên phần mềm PSIM xác nhận rằng khi có bộ biến đổi hai chiều làm nhiệm vụ ổn định điện áp thanh cái, thời gian dò tìm và bám bắt điểm công suất cực đại (MPP) của tấm pin quang điện diễn ra nhanh hơn khoảng 13 lần so với trường hợp hệ thống không có bộ Bidirectional.

4. Khóa luận sử dụng các thiết bị thí nghiệm chuyên dụng nào để thu thập dữ liệu thực nghiệm nguồn năng lượng tái tạo?
Đề tài sử dụng hai bộ thiết bị phòng thí nghiệm chuyên dụng: Bộ mô phỏng hệ thống năng lượng gió De Lorenzo DL WIND-B3 (gồm quạt gió nhân tạo kéo máy phát điện PMSG) và Bộ thiết bị mô phỏng dàn pin mặt trời Chroma Solar Array Simulation Soft Panel để giả lập đặc tính quang điện thực tế.

5. Điểm hạn chế chính của đồ án được giáo viên phản biện đánh giá là gì?
Theo phiếu nhận xét của giáo viên phản biện Đỗ Đức Trí, khuyết điểm cốt lõi của đồ án là mức công suất vận hành trên thanh cái còn bé (công suất thử nghiệm tải khoảng 300W, cực đại hệ thống 400W), do đó mô hình mới dừng lại ở mức thử nghiệm phòng thí nghiệm và chưa đủ điều kiện áp dụng trực tiếp vào thực tế lưới điện tiêu thụ lớn.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Tô Tấn Nguyên và Nguyễn Hữu Thịnh đã nghiên cứu và chế tạo thành công mô hình phần cứng vi lưới DC độc lập công suất nhỏ nhằm ổn định điện áp thanh cái 48 VDC. Thông qua việc phối hợp giữa giải thuật P&O thích nghi và giải thuật điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều nạp/xả ắc quy, hệ thống duy trì sai số điện áp thanh cái trong dải $\pm 2%$ và kiểm soát độ vọt lố dưới $\pm 10%$. Toàn bộ giải pháp thiết kế đã được kiểm chứng nhất quán qua mô phỏng trên phần mềm PSIM và thử nghiệm thực tế với các thiết bị giả lập nguồn gió, mặt trời chuyên dụng. Đây là công trình có giá trị tham khảo kỹ thuật rõ ràng về phương pháp điều khiển vi lưới một chiều, đóng vai trò nền tảng để phát triển tiếp lên các dải công suất lớn hơn có kết nối lưới điện xoay chiều.