CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 1. Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC) 1. Chức năng bộ biến đổi DC-DC Bộ biến đổi 1 chiều 1 chiều (Boot converter) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường 400V). Đồng thời thông qua bộ Boost converter này để thực hiện điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống.
Các bộ biến đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp. Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai. Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly.
Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều. Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm: Bộ giảm áp (buck) Bộ tăng áp (boost) Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk Bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp. Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC.
Bộ biến đổi DC-DC không cách li a) Mạch Buck Sơ đồ nguyên lý mạch buck được chỉ ra trên hình 1. Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck có chức năng giảm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa transitor được đóng mở với tần số cao.
Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau: 𝑇 𝐷 = 𝑜𝑛 = 𝑇𝑜𝑛 .1) 𝑇 Trong đó Ton là thời gian khóa K mở, T là chu kỳ làm việc của khóa, f DC tần số đóng cắt. 1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L. Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Diode khép kín mạch.
Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.2) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc. Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton. Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM. Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất.
Bộ Buck cũng thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dòng vào không liên tục vì khóa điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt. Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy. Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Bộ Buck có thể làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ.
Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểm MPP xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp ắc quy dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống thấp. Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp. b) Mạch Boost Sơ đồ nguyên lý mạch Boost như hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng L.
Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ. Khi K mở cho dòng qua (t on) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (t off) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua Điốt tới tải.3) 𝑑𝑡 Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra. Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều. Khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua Điốt.
Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được tính theo: 𝑈𝑖𝑛 𝑈𝑜𝑢𝑡 = (1.4) 1−𝐷 Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vo. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 c) Mạch Buck – Boost Sơ đồ nguyên lý như hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost Từ công thức (1.4): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào. Vì vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể giảm điện áp vào.
Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào. Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa ngắt điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào.
Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian. Ta có công thức: 𝑉𝑖𝑛 𝐷 𝑉𝑜𝑢𝑡 = (1.5) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D: Khi D = 0.5 thì Uin = Uout; Khi D < 0.5 thì Uin > Uout; Khi D > 0.5 thì Uin < Uout LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 d) Mạch Cuk Sơ đồ nguyên lý như hình 1. 4: Sơ đồ biến đổi Cuk Bộ Cuk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp. Cuk dùng một tụ điện để lưu giữ năng lượng vì vậy dòng điện vào sẽ liên tục.
Mạch Cuk ít gây tổn hao trên khoá điện tử hơn và cho hiệu quả cao. Nhược điểm của Cuk là điện áp ra có cực tính ngược với điện áp vào nhưng bộ Cuk cho đặc tính dòng ra tốt hơn do có cuộn cảm đặt ở tầng ra. Chính từ ưu điểm chính này của Cuk (tức là có đặc tính dòng vào và dòng ra tốt) Nguyên lý hoạt động của Cuk là chế độ dẫn liên tục. Ở trạng thái ổn định, điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm bằng 0, theo định luật điện áp Kiếchôp ở vòng mạch ngoài cùng hình vẽ 1.4 ta có: VC1 = VS + V0 Giả sử tụ C1 có dung lượng đủ lớn và điện áp trên tụ không gợn sóng mặc dù nó lưu giữ và chuyển một lượng năng lượng lớn từ đầu vào đến đầu ra.
Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào được cấp và khoá SW khoá không cho dòng chảy qua. Điốt D phân cực thuận, tụ C1 được nạp. Hoạt động của mạch được chia thành 2 chế độ. Chế độ 1: Khi khoá SW mở thông dòng, mạch như ở hình vẽ 1.
5: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Điện áp trên tụ C1 làm điôt D phân cực ngược và Điốt khoá. Tụ C1 phóng sang tải qua đường SW, C2, Rtải, và L2. Cuộn cảm đủ lớn nên giả thiết rằng dòng điện trên cuộn cảm không gợn sóng. Vì vậy ta có mỗi quan hệ sau: −𝐼𝐶1 = 𝐼𝐿2 (1.6) Chế độ 2: Khi SW khoá ngăn không cho dòng chảy qua, mạch có dạng như hình vẽ 1.
6: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng Tụ C1 được nạp từ nguồn vào VS qua cuộn cảm L1. Năng lượng lưu trên cuộn cảm L2 được chuyển sang tải qua đường D, C2, và R tải.7) Để hoạt động theo chu kỳ, dòng điện trung bình của tụ là 0.10) Trong đó: D là tỉ lệ làm việc của khoá SW (0 < D < 1) và T là chu kỳ đóng cắt. Giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ được.13) 𝐼𝐿2 𝑉𝑆 Kết hợp công thức (1.13) vào ta có: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.14) 𝑉𝑆 1−𝐷 Từ công thức (1.5: Đầu ra nhỏ hơn đầu vào.5: Đầu ra bằng đầu vào.5 < D < 1: Đầu ra lớn hơn đầu vào. Từ công thức (1.14) ta thấy rằng có thể điều khiển điện áp ra khỏi bộ biến đổi DC/DC bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D của khoá SW.
Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên đều bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng. Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K để hệ đạt được điểm làm việc tối ưu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT) sẽ được trình bày chi tiết ở chương tiếp sau. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly Bộ chuyển đổi DC-DC được mô tả trong hình 1.
Bộ chuyển đổi bao gồm một tụ lọc đầu vào C1, 6 chuyển mạch dùng MOSFET (M1-M6), sáu điôt xoay tự do, hai điôt chỉnh lưu, D1 và D2, một biến áp cao tần với hệ số biến áp bằng K và một tụ hóa C2. 7: Bộ chuyển đổi DC – DC có cách ly Máy biến áp cung cấp điện áp cách ly giữa bảng mạch PV và lưới, nâng cao độ an toàn cho toàn hệ thống. Điện cảm rò (Lk) được sử dụng như 1 phần tử chuyển đổi nguồn, loại bỏ những vấn đề quá áp thiết bị và cần thiết cho sự chống rung các LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 bảng mạch.