Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh Việt Nam đang đối mặt với tình trạng thiếu hụt điện năng nghiêm trọng, việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời trở nên cấp thiết. Theo ước tính, nguồn năng lượng mặt trời tại Việt Nam có tiềm năng rất lớn nhưng hiện mới chỉ được khai thác một phần nhỏ. Bộ thiết bị nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời công suất 2kW được nghiên cứu nhằm cung cấp điện năng ổn định cho các phụ tải khi lưới điện gặp sự cố như mất điện hoặc điện áp không ổn định. Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi nguồn điện dự phòng, bao gồm bộ biến đổi DC-DC và DC-AC, đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra ổn định và đáp ứng nhanh với các biến đổi tải.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống nguồn điện dự phòng công suất 2kW sử dụng năng lượng mặt trời, với các mô hình toán học, mô phỏng và thiết kế phần cứng, phần mềm thực tế. Thời gian nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn trước năm 2011 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo, giảm phụ thuộc vào lưới điện quốc gia, đồng thời góp phần phát triển công nghệ điều khiển và tự động hóa trong lĩnh vực năng lượng sạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình bộ biến đổi DC-DC dạng full-bridge có cách ly: Đây là cấu trúc được lựa chọn để nâng điện áp một chiều từ 48V lên 400V với công suất 2kW, đảm bảo cách ly điện áp đầu vào và đầu ra, đồng thời có chất lượng đầu ra cao.
  • Phương pháp điều xung kiểu dịch pha (phase-shifted PWM): Phương pháp này giúp hạn chế sóng hài không mong muốn và tránh hiện tượng trùng dẫn, nâng cao độ ổn định và chất lượng điện áp đầu ra.
  • Bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PID mờ: Bộ điều khiển PID truyền thống được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra, trong khi bộ điều khiển PID mờ được áp dụng để nâng cao chất lượng điều khiển, đặc biệt khi tải thay đổi, giúp giảm độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian ổn định.
  • Mô hình điều khiển bộ biến đổi DC-AC: Sử dụng mô hình trạng thái và hàm truyền để thiết kế bộ điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều đầu ra, đảm bảo chất lượng điện áp sin chuẩn 220VAC/50Hz.

Các khái niệm chính bao gồm: biến đổi điện áp DC-DC có cách ly, điều chế PWM (Unipolar và Bipolar), bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ, mô hình trạng thái hệ thống điện tử công suất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu thực nghiệm từ hệ thống thiết kế, mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink, và các tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật điều khiển và biến đổi nguồn điện. Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống thiết kế công suất 2kW với các tải thay đổi từ 100Ω đến 200Ω, điện áp đầu vào 48VDC, điện áp đầu ra 400VDC và 220VAC.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học của bộ biến đổi DC-DC full-bridge và DC-AC.
  • Thiết kế bộ điều khiển PID và PID mờ dựa trên các tham số điều khiển được hiệu chỉnh theo phương pháp Ziegler-Nichols và luật mờ.
  • Mô phỏng đáp ứng hệ thống với các biến đổi tải và điện áp đặt để đánh giá chất lượng điều khiển.
  • Thiết kế phần cứng và phần mềm thực tế cho bộ biến đổi, kiểm chứng bằng các dạng sóng điện áp và dòng điện đo được.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ đầu năm đến cuối năm 2011, bao gồm các giai đoạn thiết kế mô hình, mô phỏng, xây dựng hệ thống thực tế và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của bộ biến đổi DC-DC full-bridge: Bộ biến đổi có khả năng nâng điện áp từ 48V lên 400V với công suất 2kW, đáp ứng nhanh với các biến đổi tải. Khi tải thay đổi từ 100Ω đến 150Ω và 200Ω, điện áp đầu ra chỉ dao động nhỏ, đảm bảo ổn định điện áp với độ lệch không đáng kể.

  2. Đáp ứng bộ điều khiển PID: Với tham số KP=2, KI=0.0005, hệ thống đạt độ quá điều chỉnh 8,75% và thời gian ổn định 0,012s khi tải không đổi, cho thấy bộ điều khiển PID đáp ứng tốt trong điều kiện tải ổn định.

  3. Nâng cao chất lượng điều khiển bằng PID mờ: Bộ điều khiển PID mờ cho phép điều chỉnh linh hoạt các tham số KP, KI, KD theo sai lệch và đạo hàm sai lệch, giúp giảm độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian ổn định ngay cả khi tải và điện áp đặt thay đổi lớn. Thời gian ổn định có thể giảm xuống còn 0,005s, không có hiện tượng quá điều chỉnh.

  4. Bộ biến đổi DC-AC và điều khiển giá trị tức thời: Phương pháp điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều đầu ra giúp duy trì điện áp sin chuẩn 220VAC/50Hz với chất lượng cao hơn so với điều khiển ổn định biên độ. Hệ thống sử dụng bộ lọc LC và mạch điều khiển PWM Unipolar, đảm bảo điện áp đầu ra có dạng sóng sin thuần khiết.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu quả điều khiển cao là do việc lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi full-bridge có cách ly, kết hợp với phương pháp điều xung dịch pha giúp giảm sóng hài và tránh hiện tượng trùng dẫn. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống, việc áp dụng bộ điều khiển PID mờ đã cải thiện đáng kể khả năng thích ứng với biến đổi tải và điện áp đặt, nâng cao độ ổn định và chất lượng điện áp đầu ra.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp đầu ra dao động rất nhỏ khi tải thay đổi, thể hiện qua các dạng sóng điện áp và dòng điện đo được tại các điểm khác nhau trong mạch. Biểu đồ đáp ứng thời gian cho thấy thời gian ổn định nhanh và độ quá điều chỉnh thấp, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của hệ thống nguồn điện dự phòng.

So sánh với các phương pháp điều khiển khác, phương pháp điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều đầu ra được đánh giá cao về chất lượng điện áp, mặc dù yêu cầu khối lượng tính toán lớn hơn. Việc sử dụng bộ xử lý số DsPic30F2020 với tốc độ tính toán cao đã đáp ứng được yêu cầu này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển PID mờ trong các hệ thống nguồn điện dự phòng: Để nâng cao chất lượng điều khiển và khả năng thích ứng với biến đổi tải, các đơn vị sản xuất và nghiên cứu nên áp dụng bộ điều khiển PID mờ, tập trung vào việc hiệu chỉnh các hàm liên thuộc và luật điều khiển phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp trên vi xử lý tốc độ cao: Khuyến nghị sử dụng các vi xử lý số có khả năng xử lý nhanh như DsPic30F2020 để đảm bảo thực thi các thuật toán điều khiển phức tạp, đặc biệt trong điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều.

  3. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng cho công suất lớn hơn: Nghiên cứu nên được tiếp tục mở rộng để thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống nguồn điện dự phòng công suất lớn hơn, đồng thời đánh giá hiệu quả trong các điều kiện tải và môi trường thực tế đa dạng.

  4. Tăng cường kiểm tra và đánh giá thực tế: Đề xuất thực hiện các thử nghiệm thực tế tại các địa phương có điều kiện sử dụng năng lượng mặt trời phong phú nhằm đánh giá hiệu quả vận hành lâu dài, độ bền và khả năng bảo trì của hệ thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp mô hình toán học, phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID và PID mờ, cùng các mô phỏng chi tiết, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng thực hành.

  2. Kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng tái tạo: Thông tin về cấu trúc bộ biến đổi DC-DC full-bridge và DC-AC, cùng các phương pháp điều khiển PWM, là tài liệu tham khảo quý giá cho việc phát triển các hệ thống nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Các giải pháp phần cứng và phần mềm được trình bày trong luận văn hỗ trợ trong việc thiết kế, chế tạo và tối ưu hóa các bộ biến đổi nguồn điện dự phòng.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong các chương trình phát triển năng lượng sạch quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ biến đổi DC-DC full-bridge có ưu điểm gì so với các loại khác?
    Bộ biến đổi full-bridge có cách ly giúp nâng cao chất lượng điện áp đầu ra, phù hợp với công suất lớn (2kW), đồng thời giảm thiểu sóng hài và tăng độ bền thiết bị nhờ phương pháp điều xung dịch pha.

  2. Tại sao chọn phương pháp điều xung kiểu dịch pha thay vì kiểu bù?
    Phương pháp dịch pha hạn chế hiện tượng trùng dẫn, giảm sóng hài không mong muốn và tránh hư hỏng van công suất, giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả hơn.

  3. Bộ điều khiển PID mờ có lợi ích gì so với PID truyền thống?
    PID mờ cho phép điều chỉnh linh hoạt các tham số điều khiển dựa trên sai lệch và tốc độ biến đổi sai lệch, giúp hệ thống thích ứng tốt với biến đổi tải và điện áp, giảm độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian ổn định.

  4. Phương pháp điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều có ưu điểm gì?
    Phương pháp này giúp duy trì điện áp đầu ra có dạng sóng sin chuẩn và ổn định ngay cả khi tải thay đổi nhanh, nâng cao chất lượng điện áp so với phương pháp điều khiển ổn định biên độ.

  5. Làm thế nào để đảm bảo bộ điều khiển hoạt động hiệu quả trong thực tế?
    Cần lựa chọn vi xử lý có tốc độ tính toán cao, thiết kế phần mềm điều khiển tối ưu, đồng thời thực hiện kiểm tra, hiệu chỉnh tham số điều khiển dựa trên dữ liệu thực tế và mô phỏng để đảm bảo đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công bộ điều khiển cho bộ biến đổi nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời công suất 2kW, bao gồm bộ biến đổi DC-DC full-bridge và DC-AC.
  • Bộ điều khiển PID mờ nâng cao chất lượng điều khiển, giảm độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian ổn định so với PID truyền thống.
  • Phương pháp điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều đầu ra giúp duy trì điện áp sin chuẩn 220VAC/50Hz với chất lượng cao.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ thống đáp ứng tốt các biến đổi tải và điện áp đặt, đảm bảo ổn định và hiệu quả vận hành.
  • Đề xuất tiếp tục phát triển hệ thống cho công suất lớn hơn và mở rộng ứng dụng thực tế trong các khu vực có tiềm năng năng lượng mặt trời.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng và phát triển thêm các giải pháp điều khiển mờ cho hệ thống nguồn điện tái tạo, đồng thời tiến hành thử nghiệm thực tế để hoàn thiện và thương mại hóa sản phẩm.