Luận văn thạc sĩ về thiết kế bộ biến đổi linh hoạt cho nguồn năng lượng mặt trời nối lưới

Tổng hợp kiến thức Thiết kế bộ biến đổi linh hoạt cho năng lượng mặt trời nối lưới, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả trong

• Tác giả: Hoàng Mạnh Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Vĩnh
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Biến Đổi Linh Hoạt Cho Nguồn Năng Lượng Mặt Trời Nối Lưới
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Quảng Ninh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU NHIỀU ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA
• 1.1. Bộ biến đổi năng lượng trong hệ thống phân phối điện
• 1.2. Vai trò của điện tử công suất trong các hệ thống năng lượng tái tạo
• 1.3. Biến tần trung tâm
• 1.4. Bộ biến tần chuỗi
• 1.5. Biến tần tích hợp điều chế
• 1.6. Đánh giá tài liệu cho bộ biến đổi DC-DC
• 1.7. Bộ DC-DC đầu ra kép đầu vào đơn
• 1.8. Bộ biến đổi dc-dc đa cấp hai chiều
• 1.9. Bộ biến đổi công suất 16 pha không cảm biến hai chiều xen kẽ bộ biến đổi DC-DC cho ứng dụng xe hybrid
• 1.10. Bộ chuyển đổi buck DC-DC hai chiều với đầu ra kép đầu vào đơn
• 1.11. Những phương pháp cho bộ biến đổi hai chiều
• 1.12. Các cấu trúc hệ thống pin mặt trời
• 1.13. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC LINH HOẠT
• 2.1. Bộ biến đổi dc-dc hai chiều nhiều cổng
• 2.2. Kỹ thuật điều khiển cho bộ DC-DC
• 2.3. Phân tích điều khiển các trạng thái của bộ biến đổi
• 2.3.1. Trạng thái 1 - Liên kết PV với tải tại đường dây DC
• 2.3.2. Trạng thái 2 – PV Liên kết ắc quy và tải tại đường dây DC
• 2.3.3. Trạng thái 3 - PV và ắc quy vào tải tại đường dây DC
• 2.3.4. Trạng thái 4 - PV vào ắc quy (Battery)
• 2.3.5. Trạng thái 5 - Ắc quy vào tải tại đường dây DC
• 2.3.6. Trạng thái 6 - Đường dây DC vào ắc quy
• 2.4. Kỹ thuật điều khiển
• 2.4.1. Các loại điều khiển
• 2.4.2. Bộ điều khiển tuyến tính
• 2.4.3. Bộ điều khiển phi tuyến tính
• 2.5. Các phương pháp theo dõi điểm công suất tối đa
• 2.5.1. Phương pháp điện áp không đổi
• 2.5.2. Phương pháp xung dòng ngắn mạch
• 2.5.3. Phương pháp điện áp mở
• 2.5.4. Phương pháp dẫn điện tăng dần
• 2.5.5. Phương pháp P&O
• 2.5.6. Sự không nhất quán trong phân tích các phương pháp kiểm soát được sử dụng rộng rãi
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM
• 3.1. Kết quả mô phỏng
• 3.1.1. Trạng thái St-1 - Liên kết PV với tải tại đường dây DC
• 3.1.2. Trạng thái St-2
• 3.1.3. Trạng thái St-3
• 3.1.4. Trạng thái St-5
• 3.2. Thực nghiệm và phân tích
• 3.2.1. Bảng quang điện
• 3.2.2. Vi điều khiển
• 3.2.3. Khóa điện tử. Cảm biến dòng
• 3.2.4. Bảng kiểm soát
• 3.3. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Chương trình thuật toán P&O cho vi điều khiển PIC16F876A
• Phụ lục 2: Sơ đồ thiết kế mạch cho bộ biến đổi DC-DC linh hoạt

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh hiện nay, nhu cầu về năng lượng đang gia tăng nhanh chóng, trong khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Điều này đã thúc đẩy sự cần thiết phải tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Việt Nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với cường độ bức xạ trung bình khoảng 5 kWh/m2. Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng mặt trời vẫn chưa được khai thác triệt để do chi phí sản xuất và hiệu suất của các thiết bị vẫn còn hạn chế. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi năng lượng mặt trời nối lưới là cần thiết để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất điện năng.

II. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

Mục đích của nghiên cứu này là đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất cho hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới. Các nhiệm vụ cụ thể bao gồm đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống, nghiên cứu và đề xuất các phương pháp cải thiện tính ổn định và hiệu quả của hệ thống. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào việc thiết kế mạch điều khiển cho bộ biến đổi năng lượng mặt trời, nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là bộ biến đổi năng lượng mặt trời nối lưới, với mục tiêu nâng cao tính ổn định và hiệu suất của hệ thống. Phạm vi nghiên cứu sẽ tập trung vào việc thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC linh hoạt, từ đó đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống. Nghiên cứu sẽ sử dụng các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để phân tích và đưa ra các giải pháp cải tiến cho hệ thống.

IV. Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần chính như: thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC linh hoạt, nghiên cứu luật điều khiển, và xây dựng mô hình mô phỏng kết quả mạch thiết kế. Đặc biệt, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời. Các phương pháp này sẽ được áp dụng trong quá trình thiết kế và thử nghiệm để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của hệ thống.

V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao khi đánh giá các kỹ thuật và thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời. Nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao hiệu suất và tính ổn định của hệ thống mà còn đóng góp vào việc phát triển các giải pháp công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Điều này không chỉ góp phần vào việc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay.

VI. Cấu trúc của luận văn

Luận văn được cấu trúc thành ba chương chính: Chương 1 tổng quan về các bộ biến đổi DC-DC hai chiều nhiều đầu vào và đầu ra, Chương 2 tập trung vào thiết kế bộ biến đổi DC-DC linh hoạt, và Chương 3 trình bày kết quả mô phỏng và thực nghiệm sản phẩm. Mỗi chương sẽ đi sâu vào các khía cạnh cụ thể của nghiên cứu, từ lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn, nhằm cung cấp cái nhìn toàn diện về vấn đề nghiên cứu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn tại Việt Nam, đặc biệt ở các vùng miền Trung và miền Nam với cường độ bức xạ trung bình khoảng 5 kWh/m²/ngày, trong khi miền Bắc có cường độ thấp hơn khoảng 4 kWh/m² do điều kiện thời tiết. Ước tính tiềm năng lý thuyết của năng lượng mặt trời tại Việt Nam đạt khoảng 43,9 tỷ TOE, với số ngày nắng trung bình khoảng 300 ngày/năm ở miền Trung và miền Nam. Tuy nhiên, hiệu suất của các tấm pin mặt trời còn thấp, chi phí sản xuất điện năng cao, gây hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ biến đổi linh hoạt cho nguồn năng lượng mặt trời nối lưới nhằm nâng cao hiệu suất và tính ổn định của hệ thống. Mục tiêu cụ thể là đề xuất giải pháp cải thiện hiệu suất hệ thống pin năng lượng mặt trời, đánh giá các thông số ảnh hưởng và nghiên cứu các phương pháp nâng cao tính ổn định, hiệu quả của hệ thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ biến đổi DC-DC linh hoạt cho hệ thống pin mặt trời nối lưới, với thời gian nghiên cứu từ tháng 10/2020 đến tháng 5/2021 tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao trong việc phát triển các giải pháp kỹ thuật giúp giảm tổn hao năng lượng, tăng hiệu suất chuyển đổi và ổn định hệ thống, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình về điện tử công suất, hệ thống biến đổi DC-DC hai chiều nhiều cổng, và các phương pháp điều khiển trong hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới. Các khái niệm chính bao gồm:

• Bộ biến đổi DC-DC hai chiều nhiều cổng: Cho phép dòng điện hai chiều giữa các nguồn và tải, hỗ trợ sạc/xả ắc quy và điều chỉnh điện áp đầu ra linh hoạt.
• Điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT): Phương pháp P&O (Perturb and Observe) được sử dụng để tối ưu hóa công suất đầu ra của tấm pin mặt trời.
• Kỹ thuật điều khiển tuyến tính: Sử dụng bộ điều khiển PI (tỷ lệ cộng tích phân) để duy trì điện áp ổn định và điều chỉnh độ rộng xung cho các khóa điện tử.
• Cấu trúc hệ thống phân tán và giao tiếp PLC: Hệ thống biến đổi được kết nối song song trên đường dây DC cao áp, sử dụng truyền thông trên đường dây điện (PLC) để quản lý và giám sát năng lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các mô hình lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm Orcad và Matlab, cùng với kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm sử dụng bảng quang điện Poly 300W và vi điều khiển PIC16F8XX. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 3 bảng quang điện và các linh kiện điện tử công suất được lựa chọn phù hợp với điện áp và dòng điện định mức.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng các trạng thái hoạt động của bộ biến đổi DC-DC linh hoạt trong các chế độ khác nhau (St-1 đến St-6).
• Phân tích điều khiển các trạng thái bằng thuật toán P&O để theo dõi MPPT.
• Thực nghiệm đo điện áp, dòng điện và công suất trên các cổng của bộ biến đổi để so sánh với kết quả mô phỏng.
• Thời gian nghiên cứu từ tháng 10/2020 đến tháng 5/2021, đảm bảo tính cập nhật và phù hợp với điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất bộ biến đổi MCB-RS được cải thiện nhờ mạch phục hồi năng lượng
   Mô phỏng cho thấy điện áp trên tụ điện phục hồi VC ổn định khoảng 216V, giúp giảm điện áp ngược trên khóa MOSFET xuống còn 220V, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị. So với bộ biến đổi MCB truyền thống, hiệu suất được cải thiện khoảng 10-15%.

2. Bộ biến đổi DC-DC linh hoạt hoạt động ổn định trong 6 trạng thái khác nhau
   Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy các trạng thái St-1 đến St-6 đều duy trì điện áp đầu ra ổn định ở mức 400V DC, với công suất đầu ra phù hợp với yêu cầu tải. Ví dụ, trong trạng thái St-1, công suất đầu ra đạt gần 300W, tương ứng với công suất đầu vào từ bảng PV.

3. Phương pháp điều khiển P&O hiệu quả trong theo dõi MPPT
   Thuật toán P&O giúp duy trì công suất tối đa của tấm pin mặt trời trong điều kiện biến đổi ánh sáng, giảm sai số theo dõi xuống dưới 3%, cải thiện hiệu suất hệ thống tổng thể.

4. Giao tiếp PLC trên đường dây DC giúp quản lý và giám sát hệ thống hiệu quả
   Hệ thống PLC được tích hợp trong bộ biến đổi cho phép truyền thông tin điều khiển và giám sát từ xa, nâng cao tính linh hoạt và độ tin cậy của hệ thống phân phối năng lượng mặt trời nối lưới.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ biến đổi DC-DC linh hoạt với mạch phục hồi năng lượng MCB-RS có khả năng giảm tổn hao năng lượng và tăng hiệu suất chuyển đổi. Việc duy trì điện áp đầu ra ổn định ở mức 400V DC phù hợp với tiêu chuẩn an toàn và hiệu quả truyền tải trên đường dây DC cao áp. Phương pháp điều khiển P&O được lựa chọn do tính đơn giản, hiệu quả và khả năng thích ứng tốt với điều kiện biến đổi của nguồn năng lượng mặt trời.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này tương đồng với các giải pháp biến đổi DC-DC hai chiều nhiều cổng được ứng dụng trong xe hybrid và hệ thống lưu trữ năng lượng, nhưng có cải tiến về mạch phục hồi năng lượng giúp tăng hiệu suất tổng thể. Việc tích hợp giao tiếp PLC trên đường dây DC là một bước tiến quan trọng, giúp hệ thống năng lượng tái tạo trở nên thông minh và dễ dàng quản lý hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp, dòng điện và công suất theo thời gian cho từng trạng thái hoạt động, cũng như bảng so sánh hiệu suất giữa bộ biến đổi MCB và MCB-RS.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi bộ biến đổi DC-DC linh hoạt MCB-RS trong các hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới
   Động từ hành động: Áp dụng
   Target metric: Tăng hiệu suất chuyển đổi lên ít nhất 10%
   Timeline: 1-2 năm
   Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất và nhà đầu tư năng lượng tái tạo.

2. Phát triển phần mềm điều khiển MPPT dựa trên thuật toán P&O tích hợp trong vi điều khiển
   Động từ hành động: Phát triển
   Target metric: Giảm sai số theo dõi MPPT dưới 3%
   Timeline: 6-12 tháng
   Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu và công ty công nghệ điều khiển.

3. Xây dựng hệ thống giám sát và quản lý từ xa sử dụng công nghệ PLC trên đường dây DC cao áp
   Động từ hành động: Triển khai
   Target metric: Nâng cao độ tin cậy và khả năng giám sát hệ thống lên 95%
   Timeline: 1 năm
   Chủ thể thực hiện: Các nhà cung cấp giải pháp lưới điện thông minh và các đơn vị vận hành hệ thống.

4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về kỹ thuật biến đổi năng lượng cho kỹ sư và kỹ thuật viên
   Động từ hành động: Tổ chức
   Target metric: Đào tạo ít nhất 200 kỹ sư trong 2 năm
   Timeline: 2 năm
   Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, viện nghiên cứu và các tổ chức đào tạo chuyên ngành kỹ thuật điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện
   Lợi ích: Hiểu rõ về thiết kế bộ biến đổi DC-DC linh hoạt, phương pháp điều khiển MPPT và ứng dụng trong năng lượng tái tạo. Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất và biến tần
   Lợi ích: Áp dụng giải pháp thiết kế bộ biến đổi hiệu quả, nâng cao chất lượng sản phẩm. Use case: Thiết kế và cải tiến sản phẩm biến tần cho hệ thống năng lượng mặt trời.

3. Các nhà đầu tư và quản lý dự án năng lượng tái tạo
   Lợi ích: Đánh giá hiệu quả kỹ thuật và khả năng ứng dụng thực tế của bộ biến đổi linh hoạt trong hệ thống nối lưới. Use case: Lập kế hoạch đầu tư và triển khai dự án năng lượng mặt trời.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng
   Lợi ích: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo và lưới điện thông minh. Use case: Xây dựng các chương trình khuyến khích và quy định kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ biến đổi DC-DC linh hoạt là gì và tại sao nó quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời?
   Bộ biến đổi DC-DC linh hoạt cho phép điều chỉnh điện áp và dòng điện giữa các nguồn năng lượng và tải, hỗ trợ sạc/xả ắc quy và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Nó giúp tăng hiệu suất chuyển đổi và ổn định hệ thống nối lưới.

2. Phương pháp P&O hoạt động như thế nào trong việc theo dõi điểm công suất tối đa?
   Phương pháp P&O gây nhiễu điện áp tấm pin và quan sát sự thay đổi công suất. Nếu công suất tăng, tiếp tục thay đổi theo hướng đó; nếu giảm, đổi hướng điều chỉnh. Phương pháp này đơn giản, hiệu quả và thích hợp với điều kiện biến đổi ánh sáng.

3. Mạch phục hồi năng lượng trong bộ biến đổi MCB-RS có tác dụng gì?
   Mạch phục hồi năng lượng thu hồi năng lượng rò rỉ trong điện cảm của máy biến áp, giảm tổn hao năng lượng và điện áp ngược trên khóa điện tử, từ đó nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

4. Giao tiếp PLC trên đường dây DC có lợi ích gì cho hệ thống?
   PLC sử dụng hạ tầng đường dây điện hiện có để truyền thông tin điều khiển và giám sát, giúp quản lý hệ thống từ xa, tăng tính linh hoạt và độ tin cậy, đồng thời giảm chi phí triển khai.

5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện áp DC cao trong hệ thống?
   Cần sử dụng thiết bị bảo vệ phù hợp, vật liệu cách điện chất lượng cao và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế. Ngoài ra, thiết kế hệ thống phải đảm bảo điện áp không vượt quá giới hạn an toàn và có cơ chế ngắt mạch khi xảy ra sự cố.

Kết luận

• Bộ biến đổi DC-DC linh hoạt với mạch phục hồi năng lượng MCB-RS nâng cao hiệu suất chuyển đổi và giảm tổn hao năng lượng trong hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới.
• Phương pháp điều khiển P&O được áp dụng hiệu quả trong theo dõi điểm công suất tối đa, giúp tối ưu hóa công suất đầu ra của tấm pin mặt trời.
• Hệ thống giao tiếp PLC trên đường dây DC cao áp hỗ trợ quản lý và giám sát từ xa, tăng tính linh hoạt và độ tin cậy của hệ thống.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp thiết kế bộ biến đổi linh hoạt trong điều kiện thực tế.
• Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, phát triển phần mềm điều khiển, xây dựng hệ thống giám sát và đào tạo nguồn nhân lực để thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô lớn, hoàn thiện phần mềm điều khiển, tích hợp hệ thống giám sát PLC và đào tạo kỹ thuật viên.

Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý năng lượng nên phối hợp để ứng dụng và phát triển công nghệ bộ biến đổi linh hoạt nhằm thúc đẩy chuyển đổi năng lượng bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU NHIỀU ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA 1. Giới thiệu Mặt trời đã có ích cho nhân loại theo nhiều cách hơn. Năng lượng mặt trời với hình thức thụ động đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ. Sau đó, năng lượng mặt trời đã được sử dụng để sưởi ấm nước cho mục đích gia đình.

Mặc dù những công dụng này, việc sử dụng năng lượng mặt trời tích cực cung cấp điện có thể sử dụng là một ý tưởng tương đối mới. Vài thập kỷ trước, ý tưởng sử dụng năng lượng mặt trời cho các ngôi nhà năng lượng dường như là một suy nghĩ xa vời. Nhưng tiến độ nhanh đã được thực hiện trong vài năm qua để biến ý tưởng này thành hiện thực và lựa chọn khả thi [1]. Ngày nay hệ thống điện tử năng lượng quang điện mặt trời đã thay đổi hình ảnh sử dụng năng lượng mặt trời, bị phụ thuộc vào quá trình thay đổi ánh sáng theo chu kì vòng quay của trái đất.

Những hệ thống có thể được sử dụng trên nhiều ứng dụng khác nhau, ngay từ khi cấp nguồn cho điện thoại di động đến cung cấp năng lượng cho ngôi nhà của bạn. Một yếu tố quan trọng khác cần xem xét là chi phí lắp đặt hệ thống quang điện này [2]. Nó đã giảm mạnh qua các năm. Trường hợp một hệ thống sẽ có chi phí trong phạm vi 12USD mỗi watt năng lượng được sản xuất vào năm 1988, bây giờ nó có giá bằng một phần 4 giá đó vào năm 2020 [3].

Mặc dù tất cả các yếu tố trên làm cho năng lượng mặt trời dường như là một lựa chọn hấp dẫn, vẫn còn các vấn đề liên quan đến hiệu quả của các tấm quang điện và toàn hệ thống năng lượng này ảnh hưởng đến hệ thống điện. Bộ biến đổi năng lượng trong hệ thống phân phối điện Sự đóng góp của các bộ biến đổi năng lượng trong các hệ thống phân phối điện vẫn còn được thảo luận khi chưa cải thiện khả năng kiểm soát, độ tin cậy, kích thước và hiệu quả của hệ thống. Chỉ một phần ánh sáng mặt trời chiếu tới hệ thống PV được chuyển đổi thành điện hữu ích do các thành phần không hiệu quả và dễ bị hỏng được sử dụng trong hầu hết các hệ thống PV hiện nay [4]. Chi phí cao và độ tin cậy thấp của bộ chuyển đổi điện trở thành rào cản nếu điện tử công suất được sử dụng làm trực tiếp, từng cái một, thay thế cho các thiết bị cơ điện hiện có.

Tuy nhiên, nếu toàn bộ phân phối điện hệ thống được thiết kế như một hệ thống chuyển đổi có thể điều khiển, chi phí hệ thống tổng thể và độ tin cậy thực sự có thể cải thiện [5]. Các hệ thống này bao gồm nhiều nguồn năng lượng chính và phụ, một số mức lưu trữ và dự phòng năng lượng, và nhiều hoạt động tải, tất cả giao tiếp thông qua bộ biến đổi năng lượng điện tử [6]. Tất cả các nguồn năng lượng thay thế và tái tạo được giao tiếp với các hệ thống năng lượng hiện có thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất do các đặc tính động rất khác nhau của chúng. Các sáng kiến chính sách và quy định [7] đã đảm bảo việc sử dụng năng lượng tái tạo hệ thống năng lượng từ cơ sở tiêu dùng đến các nhà máy tập trung, thúc đẩy sự bền vững và độc lập năng lượng toàn cầu.

Hệ thống phát điện phân tán dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo đã được xem xét bởi sự tăng trưởng theo cấp số nhân của cả hai tuabin gió và hệ thống phát điện quang điện. Vai trò của điện tử công suất trong các hệ thống năng lượng tái tạo Học viên: Hoàng Mạnh Hùng 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Khoảng 40% nhu cầu năng lượng của thế giới hiện đang được đáp ứng bằng năng lượng điện và tỷ lệ đó dự kiến sẽ tăng lên khi các quốc gia cắt giảm lượng khí thải cacbon và thay đổi bằng các nguồn năng lượng tái tạo [8]. Tất cả các hệ thống và sản phẩm liên quan đến chuyển đổi và kiểm soát dòng năng lượng điện đều liên quan đến năng lượng điện tử trong hình 1. Hệ thống điện tử công suất với lưới điện, tải/nguồn, nguồn chuyển đổi và kiểm soát Trong trường hợp hệ thống năng lượng tái tạo, cần phải có một bộ các thành phần điện tử công suất khác nhau để chuyển đổi năng lượng từ một giai đoạn thành một giai đoạn khác vào lưới điện.

Điều này phải được thực hiện với hiệu quả cao nhất có thể trong khi duy trì chi phí thấp nhất có thể và để giữ một hiệu suất vượt trội. Như đã thảo luận trong [3], có ba loại biến tần PV một pha. Một sơ đồ khối chung được hiển thị trong hình 1. Nó bao gồm mảng PV, biến tần PV, bộ điều khiển và lưới.

PV biến tần có thể là biến tần trung tâm, biến tần chuỗi hoặc biến tần tích hợp mô đun [10]. Sơ đồ tổng quát cho các hệ thống quang điện kết nối lưới một pha 1.1 Biến tần trung tâm Về phía DC, biến tần trung tâm duy nhất được kết nối với nhà máy PV (lớn hơn hơn 10kW) được sắp xếp theo nhiều chuỗi song song. Những biến tần này tạo ra hiệu quả cao và chi phí cụ thể thấp. Tuy nhiên, điều kiện không khớp mô-đun và điều kiện bóng râm một Học viên: Hoàng Mạnh Hùng 4 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ phần làm giảm năng suất năng lượng.

Đó là hạn chế lớn nhất của biến tần trung tâm dẫn đến việc toàn bộ nhà máy PV không hoạt động.2 Bộ biến tần chuỗi Sự sắp xếp của nhà máy PV tương tự như của biến tần trung tâm. Đây, mỗi chuỗi PV được gán cho một biến tần được chỉ định, được gọi là biến tần chuỗi. Điều này rất có lợi khi theo dõi điểm sức mạnh tối đa của mỗi chuỗi PV. Điều này làm tăng năng suất năng lượng.3 Biến tần tích hợp điều chế Hệ thống này sử dụng một biến tần cho mỗi mô-đun.

Cấu trúc liên kết này tối ưu hóa khả năng thích ứng của biến tần với các đặc tính PV vì mỗi mô-đun có riêng hệ thống theo dõi điểm công suất tối đa. Mặc dù biến tần này tối ưu hóa năng suất, nhưng nó có hiệu suất thấp hơn biến tần chuỗi. Để tạo ra lượng điện lớn, các mô đun PV được kết nối cùng nhau tạo thành mảng. Mảng này được kết nối với các thành phần hệ thống chẳng hạn như bộ biến tần để chuyển đổi nguồn DC được sản xuất thành điện xoay chiều để phục vụ người tiêu dùng.

Biến tần PV này cho các hệ thống PV thực hiện nhiều chức năng. • Chuyển đổi nguồn DC được tạo thành nguồn AC tương thích với tiện ích. • Chứa các chức năng bảo vệ theo dõi các kết nối lưới và PV nguồn cũng như có khả năng cô lập bảng PV nếu xảy ra sự cố lưới. • Theo dõi các điều kiện đầu cuối của (các bảng) mô đun PV và tích hợp theo dõi điểm công suất tối đa để tối ưu hóa việc thu năng lượng.4 Đánh giá tài liệu cho bộ biến đổi DC-DC * Bộ DC-DC đầu ra kép đầu vào đơn Nhiều ứng dụng yêu cầu một bộ biến đổi với khả năng dòng điện hai chiều để xử lý năng lượng chảy ra hoặc đến nguồn.

Trọng tâm chính của đề tài này là bộ biến đổi với cấu hình cho phép dòng điện hai chiều này. Các ứng dụng chính của bộ biến đổi dc-dc là trong các thiết bị sạc/xả pin, nguồn cung cấp năng lượng liên tục, xe điện hybrid và năng lượng tái tạo [11]. * Bộ biến đổi dc-dc đa cấp hai chiều Trong [12], nhóm tác giả đề xuất một chuyển đổi năng lượng dc-dc đa cấp hai chiều hệ thống với nhiều nguồn dc. Trong đó, mức đầu ra có thể thay đổi gần như liên tục mà không có bất kỳ thành phần từ tính.

Một trong những lợi ích chính của việc hệ thống không có từ tính là hoạt động nhiệt độ rất cao là có thể so sánh đến các giải pháp thông thường. * Bộ biến đổi công suất 16 pha không cảm biến hai chiều xen kẽ bộ biến đổi DC- DC cho ứng dụng xe hybrid Trong [13], các tác giả đã đề xuất một dc-dc hai pha xen kẽ với bộ biến đổi được phát triển với các bộ lọc đầu vào/đầu ra nhỏ hơn, đáp ứng được nhanh hơn và ứng suất thiết bị thấp hơn so với thiết kế thông thường, cho các ứng dụng xe hybrid. Ở đây bộ biến đổi được Học viên: Hoàng Mạnh Hùng 5 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ kết nối với bộ tụ điện và ắc quy trong một hệ thống lưu trữ năng lượng đa nguồn của một chiếc xe hybrid. Trong trường hợp bộ biến đổi xen kẽ nhiều pha một vòng điều khiển trong mỗi pha được yêu cầu tránh dòng điện mất cân bằng giữa các pha.

Điều này làm tăng chi phí hệ thống và kiểm soát độ phức tạp. Bài viết này đề xuất hoạt động của bộ biến đổi không liên tục chế độ dẫn (DCM) để giảm thiểu dòng điện mất cân bằng và loại bỏ kiểm soát hiện tại vòng lặp trong từng giai đoạn. * Bộ chuyển đổi buck DC-DC hai chiều với đầu ra kép đầu vào đơn Kết quả tài liệu này sẽ làm một so sánh giữa một giải pháp trực tiếp và đề xuất trong [15]. Một bộ biến đổi buck đầu ra đơn, đầu vào đơn thông thường bao gồm thiết bị chuyển mạch và diode cũng như các yếu tố điện cảm và điện dung.

Các giải pháp trực tiếp cho bộ biến đổi đầu ra kép, đầu vào đơn đang sao chép cách sắp xếp thông thường. Điều này hàm ý nhân đôi số lượng thành phần đến bộ biến đổi đầu ra hơn đầu vào.3, rõ ràng giải pháp trực tiếp bao gồm bốn công tắc và hai cuộn cảm [14]. ở đây nhóm tác giả đề xuất một cấu trúc liên kết chuyển đổi đầu ra kép một cuộn cảm có khả năng độc lập điều chỉnh hai điện áp đầu ra. Bên cạnh đó sử dụng bốn công tắc nguồn.

Điều này có lợi do giảm tổn hao của một cuộn cảm. Một cải tiến hơn nữa được thực hiện trong [15] trong đó bộ biến đổi dc-dc ba công tắc với hai đầu ra được trình bày. Cấu trúc liên kết được đề xuất trong [13] được hiển thị trong hình 1.4 (a) cho cả hai chiều và ứng dụng một chiều của bộ biến đổi buck đầu ra kép đầu vào đơn.