- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Thiết kế bộ biến đổi DC-DC kiểu Double Boost tăng áp công suất 1kW áp dụng cho phòng thực hành Hệ thống điện
Xem mẫu
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
Thiết kế bộ biến đổi DC-DC kiểu Double Boost tăng áp công suất 1kW
áp dụng cho phòng thực hành Hệ thống điện
Design of DC-DC inverter Double Boost booster of 1kW power,
applicable to Electrical System practice room
Trần Thị Thơm*1, Đoàn Thị Như Quỳnh1,
Bùi Thanh Nhạn2, Lê Quyết Thắng1, Vũ Thị Hằng1
Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
1
2
P. TT&KĐCL, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
* Email: tranthom208@gmail.com
Mobile: 0987633924
Tóm tắt
Từ khóa: Bài báo này giới thiệu cách thiết kế một bộ chuyển đổi DC/DC mới
Bộ biến đổi tăng áp DC/DC kiểu phù hợp với sự thay đổi công suất của hệ thống điện mặt trời. Bộ
Doulbe boost , Thực hành hệ chuyển đổi này được hình thành từ bộ biến đổi boost cơ bản, trong
thống điện, Orcad, Điện mặt trời. đó có sự cải tiến nhằm mục đích nâng đôi điện áp ra. Ngoài ra điện
áp đặt lên khóa chuyển mạch giảm rõ rệt nhằm giảm tổn thất. Mạch
đơn giản, dễ điều khiển. Trong nghiên cứu cũng đã mô phỏng và
chứng minh được ưu điểm của sơ đồ. Kết quả cho thấy, bộ chuyển
đổi DC/DC này hoạt động ổn định, hiệu suất được cải thiện và có
thể áp dụng vào thực tế.
Abstract
Keywords: This article introduces how to design a new DC / DC converter to
Doulbe boost DC / DC boost suit the changing capacity of solar power system. This converter is
converter, Electrical system made up of a basic boost converter, including an improvement
practice, Orcad, Solar power. aimed at doubling the output voltage. In addition, the voltage
applied to the switch is significantly reduced to reduce losses.
Simple circuit, easy to control. In the study also simulated and
proved the advantages of the diagram. The results show that this
DC / DC converter works stably, the performance is improved and
can be applied in practice.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ bộ chuyển đổi DC/DC được sử dụng để nâng
điện áp đầu ra của hệ thống pin mặt trời đến điện
Điện mặt trời đã được khai thác nhiều nơi áp cao hơn phù hợp với phụ tải một chiều và cấp
trên thế giới và nó giữ vai trò đáng kể trong việc điện áp xoay chiều của lưới kết nối. Tuy nhiên,
đáp ứng nhu cầu điện năng đang tăng cao ở nhiều việc sử dụng bộ chuyển đổi một chiều có thể làm
nước. Vì vậy việc đưa hệ thống điện mặt trời vào tăng tổn thất công suất trong hệ thống [4] và có
giảng dạy trong nhà trường là cần thiết và bắt kịp thể dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi năng
xu thế của thế giới. Cấu thành phần cơ bản của lượng của toàn hệ thống điện mặt trời. Để tiết
một hệ thống điện mặt trời bao gồm: các tấm pin kiệm điện năng, chúng ta cần phải tăng hiệu suất
mặt trời, bộ dữ trữ năng lượng (ắc quy), bộ chuyển đổi bộ chuyển đổi DC/DC. Thực tế cho
chuyển đổi DC/DC, và DC/AC [2]. Cấu trúc của thấy, hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC không
một hệ thống điện mặt trời bị phụ thuộc vào phụ phải là hằng số mà phụ thuộc nhiều vào công suất
tải, cấp điện áp, và nhiều yếu tố khác. Thông truyền tải qua nó [5]. Thông thường hiệu suất của
thường có 2 cấu hình cơ bản được sử dụng phổ bộ chuyển đổi DC/DC đạt cực đại trong phạm vi
biến là cấu hình một cấp chuyển đổi và hai cấp 50%-60% công suất thiết kế và giảm nhanh nếu
chuyển đổi [3]. Với cấu hình hai cấp chuyển đổi,
* HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 130
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
công suất qua nó càng nhỏ [5]. Tuy nhiên, ở các bộ biến đổi DC-DC. (W)
tấm pin mặt trời, công suất đầu ra không cố định,
Ploss: Công suất tổn hao trong bộ biến đổi
công suất đạt định mức ở khoảng thời gian gần
DC-DC (W)
trưa và công suất đầu ra nhỏ vào lúc sáng và
chiều [6], thời gian công suất bé hơn 40% có thể Hiệu suất của bộ chuyển đổi này phụ thuộc
đạt vài giờ trong ngày, chưa kể đến hiện tượng vào công suất đi qua nó Pi. Thông thường, hiệu
bóng che và ngày ít nắng. Như vậy, trong trường suất của bộ chuyển đổi DC/DC đạt giá trị lớn
hợp này, công suất chạy qua DC/DC converter sẽ nhất khi công suất truyền qua nó có giá trị bằng
khá nhỏ (nhỏ hơn 40%) nên hiệu suất của bộ công suất thiết kế. Khi công suất truyền qua bộ
chuyển đổi DC/DC rất thấp và phần lớn công chuyển đổi nhỏ hơn nhiều so với công suất định
suất bị tiêu hao trong bộ chuyển đổi. Vì vậy, việc mức của nó thì hiệu suất của bộ chuyển đổi sẽ
thiết kế một bộ chuyển đổi DC/DC có hiệu suất suy giảm đáng kể - Hình 1b. Trong thực tế, công
cao là cực kỳ cần thiết. Nhiều tác giả đã đưa ra suất đầu ra của tấm pin mặt trời thay đổi tuỳ
cấu trúc của bộ chuyển đổi DC/DC với hiệu suất thuộc vào điều kiện thời tiết, trong khi công suất
cao [7], [8]. Hầu hết các nghiên cứu này đều của bộ chuyển đổi được thiết kế với công suất lớn
nhằm giảm tổn thất trong bộ chuyển đổi và từ đó nhất của tấm pin. Vì vậy, hiệu suất của bộ chuyển
nâng cao hiệu suất của bộ chuyển đổi. Hiệu suất đổi ở một số thời điểm, khi công suất nhỏ truyền
của nó vẫn phụ thuộc vào công suất đi qua nó. qua nó, sẽ có giá trị không tốt.
Điều đó có nghĩa rằng, trong khoảng thời gian
công suất đầu ra của tấm pin mặt trời (PV:
photovoltaic) rất thấp thì hiệu suất của bộ chuyển
đổi DC/DC vẫn rất thấp.
Do vậy, việc thiết kế bộ chuyển đổi
DC/DC có cấu trúc sao cho chúng ta có thể duy
trì được công suất đi qua bộ DC/DC gần với công
suất làm việc bình thường (hiệu suất cao) dù cho
công suất đầu ra của PV thấp là rất cần thiết.
Bài báo giới thiệu cách thiết kế mộ bộ
chuyển đổi DC/DC áp dụng vào hệ thống điện mặt
trời nhằm cải thiện hiệu suất của hệ thống điện mặt
trời. Ở đây, bộ chuyển đổi DC/DC được cấu tạo từ
bộ chuyển đổi DC/DC kiểu boost được dùng phổ
biến trong hệ thống điện mặt trời và điện gió hiện
nay thành bộ chuyển đổi DC/DC kiểu double
boost . Bộ chuyển đổi DC/DC này sẽ được mô
phỏng trên phần mềm mô phỏng.
2. THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC - DC Hình 1. a) Hệ thống điện mặt trời sử dụng bộ
2.1. Hiệu suất bộ chuyển đổi DC/DC chuyển đổi DC-DC. b) Đặc tính hiệu suất của bộ
Bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng trong hệ chuyển đổi DC-DC
thống điện mặt trời như Hình 1. Mục tiêu chính
của bộ DC/DC là để biến đổi điện áp đầu cực của Nhằm mục đích cải thiện hiệu suất của bộ
PV (Vdc_i) đến giá trị Vdc_o phù hợp với tải chuyển đổi DC/DC, ta cần phải thiết kế bộ chuyển
một chiều hoặc với bộ chuyển đổi DC/AC kết nối đổi có cấu trúc mới dựa trên cơ sở lý thuyết các bộ
lưới điện xoay chiều. Trong quá trình làm việc, biến đổi DC-DC cũ.
một phần công suất bị tiêu hao trên bộ chuyển 2.2. Lựa chọn cấu trúc bộ chuyển đổi DC/DC
đổi DC/DC làm giảm hiệu suất của hệ thống điện Có rất nhiều loại mạch chuyển đổi DC/DC
mặt trời. Hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC khác nhau như Buck, Boost, Dual active
được tính: Bridge… Tuy nhiên, qua phân tích ưu nhược
điểm của từng mạch và khả năng tích hợp chúng
Po Pi Ploss P
1 loss (1) vào tấm pin, cấu trúc mạch DC/DC như Hình 2
Pi Pi Pi được nhóm nghiên cứu lựa chọn. Cấu trúc này sử
dụng không chỉ sử dụng 1 cuộn dây để đóng vai
Trong đó: Pi, Po: Công suất đầu vào, ra của
131 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
trò làm thành nguồn dòng như sơ đồ boost thông Ở đây điện áp đưa vào bộ phát xung được tính:
thường mà sử dụng thêm 2 cuộn dây L2 và L3
nhằm tăng gấp đôi mức điện áp DC ra. Với cấu Vx Vref kG(s)e (2)
trúc này mức chịu đựng điện áp của các mosfet
và diode là cùng giá trị do đó ta có thể sử dụng e Vref Vdci (3)
cùng công nghệ chế tạo, dễ dàng tích hợp bộ
ki
chuyển đổi vào tấm pin. G( s) k p kd s (4)
s
Với, Vref, Vdc-i lần lượt là điện áp tham
chiếu và điện áp thực tế đầu vào bộ biến đổi; k,
kp, ki, kd là các hằng số của bộ điều khiển; s là
toán tử laplace. Điện áp Vref được xác định từ bộ
MPPT. Đầu ra của bộ phát xung là các xung có
độ rộng D và được cung cấp đến mosfet.
Hình 2. Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi DC/DC 3. MÔ PHỎNG SƠ ĐỒ
double boost
Từ sơ đồ thiết kế trên nhóm tác giả đã mô
Mạch bao gồm 1 mosfet công suất hoạt phỏng sơ đồ bằng phần mềm mô phỏng Orcad
động như một khóa điện tử, một máy biến áp, ba với mức điện áp của pin là 35Vdc.
Diode, và ba tụ điện C. Máy biến áp gồm 1 cuộn Điện áp đầu vào bộ mô phỏng đề xuất là
cảm sơ cấp và hai cuộn cảm thứ cấp, mỗi tầng 35V được thể hiện trong hình 4. Điện áp đầu ra
thứ cấp được kết hợp với tụ lưu trữ năng lượng đạt được trong mô phỏng với 2 mức, mức tầng 1
riêng của nó là C5 và C6. Ở đây D5 và C4 đóng mầu đỏ và tầng 2 mầu xanh. Sơ đồ mô phỏng
vai trò phục hồi điện áp [1]. Yếu tố chính của sơ nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm được mô tả
đồ là 2 cuộn thứ cấp, hai cuộn dây này có thể trong hình 4. Mỗi khối của sơ đồ có chức năng
điều chỉnh tỷ số nên điện áp đặt lên khóa Mosfet như sau. Nguồn DC V1 cung cấp nguồn DC cho
giảm đáng kể so với sơ đồ boost cơ bản. Đặc biệt bộ chuyển đổi, nguồn này lấy từ pin mặt trời.
trong sơ đồ chuyển đổi này không có sự đột biến Đầu ra có gợn sóng và được lọc qua tụ. Tải là
trên bóng bán dẫn vì năng lượng lưu trữ trong điện trở. Xung kích của Mosfet được lấy từ bộ
cuộn cảm sơ cấp được truyền đến tụ điện đầu ra điều khiển đã thiết kế ở phần 2.3. Điện áp đầu ra
là C4 và C6. Do đó, không cần sử dụng các yếu được điều khiển bằng cách điều khiển góc mở
tố bảo vệ quá áp. của mosfet và tỷ lệ biến đổi.
2.3. Thiết kế bộ điều khiển
Trong quá trình làm việc, do cường độ bức
xạ thay đổi, để đảm bảo pin mặt trời phát được
công suất cực đại, điện áp đầu ra của PV phải
thay đổi theo thuật toán MPPT (Maximum Power
Point Tracking). Nếu điện áp đầu ra của bộ chuyển
đổi Vo được giữ cố định nhờ vào bộ chuyển đổi
DC/AC, ta cần phải thay đổi độ rộng xung đưa
vào chân G của Mosfet để điện áp đặt lên PV thay
đổi theo yêu cầu của thuật toán MPPT. Sơ đồ bộ
điều khiển như Hình 3.
Hình 4. Sơ đồ mô phỏng mạch double boost
Các cuộn cảm L1 cho sơ cấp và L2, L3
cho 2 tầng thứ cấp được biểu diễn với các điện
trở tương đương của chúng là R1, R2, R3 và các
tụ điện ký sinh tương ứng là C1, C2, C3. Nhóm
tác giả đã chọn một giá trị thực tế cho hệ số ghép
nối cuộn dấy biến áp bằng 0.95 hiện đang đạt
Hình 3. (a) Tổng quan về bộ điều khiển, (b) được trong thực tế.
Cấu trúc bộ điều khiển
Để mô hình hóa bộ chuyển đổi chúng tôi
* HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 132
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
đã chọn thiết lập có cùng tỷ lệ khuếch đại cho hai TÀI LIỆU THAM KHẢO
giai đoạn tức là thiết lập tỷ số vòng dây cuộn thứ
[1]. Nguyen The Vinh et al., “Efficiency of
cấp L3 = 8L2.
magnetic coupled boost DC-DC converters
mainly dedicated to renewable energy systems:
Influence of the coupling factor,” International
Journal of Circuit Theory and Applications, Vol.
43, pp1042–1062, 2014
[2]. M. Arunkumar, Mr. K. Palanivelrajan
(2017), “PV FED DC-DC converter with two
input boost stages”, International Journal of
Engineering and Applied Sciences (IJEAS).
[3]. S. Jain, V. Agarwal (2007), “A single-
stage grid connected inverter topology for
Solar PV systems with maximum power point
tracking”, IEEE Transactions on Power
Hình 5a. Dạng điện áp trên mosfet (mầu xanh), Electronics.
điện áp phục hồi trên C4 [4] . T. F. Wu, C. H. Chang, L. C. Lin, and
C. L. Kuo (2011), “Power loss comparison of
single- and two-stage grid-connected
photovoltaic systems”, IEEE Trans. Eenergy
Conver.
[5]. P. Riccardo, Z. Zhe, A. Michael A. E (2013),
“Analysis of DC/DC converter efficiency for
energy storage system based on bidirectional fuel
cells”,4th IEEE PES Innovative Smart Grid
Technologies Europe (ISGT Europe).
[6]. B. Parsons, “Variability of power from
largescale solar photovoltaic scenarios in the
Hình 5b. Dạng điện áp vào và điện áp ra State of Gujarat”, Technical report,
https://www.nrel.gov/docs/fy14osti/60991.pdf
(access on June 2018).
Các hình dạng điện áp trong hình 5 cho
thấy sự chênh lệch điện áp giữa điện áp vào và [7]. M. S. Agamy, M. H. Todorovic, A. Elasser,
hai mức điện áp ra. R. L. Steigerwald, J. A. Sabate, S. Chi, A. J.
McCann, L. Zhang, and F. Mueller (2012), “A
4. KẾT LUẬN high efficiency dc-dc converter topology
suitable for distributed large commercial and
Bài báo đã thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC utility scale PV systems.” 15th International
double boost, trong sơ đồ sử dụng đã có những Power Electronics and Motion Control
cải tiến và ưu điểm nhất định so với sơ đồ boost Conference.
cơ bản: với sự có mặt của cuộn L2, L3 làm giảm
điện áp đặt lên khóa công suất, D1, C1 đóng vai [8]. D. Huang, D. Gilham, W. Feng, P. Kong,
trò phục hồi điện áp giảm tổn hao bên phía sơ Dianbo, F. C. Lee, “High power density high
cấp. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ chuyển đổi efficiency DC/DC converter”, IEEE Energy
làm việc tốt và hiệu suất được cải thiện ngay cả Conversion Congress and Exposition
khi hiệu suất ánh sáng thấp. International Conference
133 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020
nguon tai.lieu . vn
