Bài giảng môn Năng lượng tái tạo - Chương 6: Ứng dụng hiệu quả năng lượng tái tạo (Phần 1) - Nguyễn Quang Nam

408004Năng lượng tái tạoGiảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam2013 – 2014, HK1ài giảng 12Ch. 6: Ứng dụng hiệu quả NLTT6.1. Một số mạch biến đổi năng lượngMạch biến đổi DC/DCMạch nạp ắc-quy từ pin mặt trờiMạch nạp ắc-quy từ tuabin gióMạch nghịch lưu (DC/AC)6.2. Tính toán thiết kế sử dụng điện mặt trờiHệ điện mặt trời độc lậpHệ điện mặt trời hòa lưới2Bài giảng 12Mạch biến đổi DC/DCTùy vào ứng dụng cụ thể, yêu cầu đặt ra đối với bộ biến đổi DC/DC có thể là tăng áp hoặc giảm áp.Với các ứng dụng tăng áp, sơ đồ boost có thể đáp ứng yêu cầu dòng điện ngõ ra PV (ngõ vào của bộ biến đổi) là liên tục.Tuy nhiên, với các ứng dụng giảm áp, sơ đồ buck thông thường cần được hiệu chỉnh để đáp ứng yêu cầu về dòng điện liên tục.3Bài giảng 12Mô hình của pin mặt trời4Bài giảng 12Mạch tăng áp (boost)5Bài giảng 12Mạch boostNếu cần tăng áp rất nhiều lần, ví dụ nâng điện áp của một tấm pin mặt trời thiết kế cho hệ 12 VDC đến mức có thể dùng để hòa lưới 220 VAC, thì có những vấn đề gì?Ưu điểm của sơ đồ này là gì?Nhược điểm của sơ đồ này là gì?6Bài giảng 12Mạch giảm áp (buck)7Bài giảng 12Mạch buckNếu điện áp ngõ vào và ngõ ra rất gần nhau, ví dụ dùng một tấm pin mặt trời thiết kế cho hệ 12 VDC để nạp điện cho ắc-quy 12 V, thì có những vấn đề gì?Ưu điểm của sơ đồ này là gì?Nhược điểm của sơ đồ này là gì?8Bài giảng 12Mạch đảo áp (buck-boost)9Bài giảng 12Mạch buck-boostMạch này giải quyết được những vấn đề gì?Duty cycle có giá trị xung quanh 0,5 khi điện áp ngõ vào và điện áp ngõ ra rất gần nhau.Nhược điểm của sơ đồ này là gì?Điện áp ngõ ra bị đảo dấu so với ngõ vào, gây khó khăn hơn trong việc đo lường và điều khiển.10Bài giảng 12Các mạch biến đổi khácMạch Ćuk (còn gọi là boost-buck) được đề xuất để đảm bảo dòng điện ở cả ngõ vào lẫn ngõ ra đều liên tục, nhưng ngõ ra bị đảo áp.Mạch SEPIC khắc phục vấn đề đảo áp ngõ ra của mạch Ćuk, tuy nhiên dòng điện ngõ ra không còn liên tục.ĆukSEPIC11Bài giảng 12Các mạch biến đổi cách lyNhững mạch vừa đề cập không cho phép cách ly phía nguồn và tải. Nếu ứng dụng trong hệ thống hòa lưới thì tầng nghịch lưu phải cách ly để đảm bảo an toàn.Ngược lại, tầng biến đổi DC-DC phải cách ly.Xuất phát từ mạch buck-boost là bộ biến đổi flyback, có thể nâng hoặc hạ điện áp, và cho phép cách ly giữa ngõ vào và ngõ ra.12Bài giảng 12Các mạch biến đổi cách lyNgoài mạch flyback, còn có các mạch forward, push-pull, half-bridge và full-bridge.ForwardPush-pullHalf-bridgeFull-bridge13Bài giảng 12Mạch nạp ắc-quy từ pin mặt trờiThông thường, ắc-quy sẽ được nạp theo quy trình tiêu chuẩn ứng với công nghệ của ắc-quy.Tuy nhiên, khi nạp ắc-quy từ pin mặt trời, quy trình tiêu chuẩn sẽ không được áp dụng. Tại sao?Điện áp của ắc-quy có thể cao hơn hoặc thấp hơn ngõ ra của pin mặt trời, ở điều kiện công suất cực đại (MPP).Pin mặt trời thường được thiết kế với điện áp ngõ ra tương thích với điện áp chuẩn của ắc-quy. Vậy có vấn đề gì không?14Bài giảng 12Mạch nạp ắc-quy từ pin mặt trờiCác yêu cầu cơ bản đối với mạch nạp ắc-quy từ PMT:Giám sát được điện lượng của ắc-quy, để ngưng nạp khi ắc-quy đã đầy.Tùy vào công nghệ ắc-quy, khống chế dòng nạp hoặc điện áp nạp.Tốc độ nạp phải phù hợp với công nghệ ắc-quy.Nên có khả năng thu nhận công suất cực đại từ PMT.15Bài giảng 12Mạch nạp ắc-quy từ pin mặt trờiKhi điện áp của PMT và ắc-quy gần bằng nhau, nên chọn những sơ đồ cho phép sử dụng duty cycle trong khoảng 0,4 – 0,6, như:Buck-boostBoost-buck (Ćuk)SEPICFlybackForward16Bài giảng 12Mạch nạp ắc-quy từ tuabin gióThông thường, tuabin gió được dùng để nạp ắc-quy sẽ có công suất tương đối nhỏ (vài kW trở xuống). Lý do?Các tuabin này thường truyền động trực tiếp một máy phát điện nhỏ, trong nhiều trường hợp là máy phát DC, kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.Cũng có thể dùng máy phát đồng bộ 3 pha, kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.Trong cả hai trường hợp, điện áp ra có độ lớn thay đổi theo vận tốc quay của tuabin.17Bài giảng 12Mạch nạp ắc-quy từ tuabin gióVới máy phát đồng bộ 3 pha, điện áp ra được chỉnh lưu không điều khiển.Trong dải vận tốc quay được thiết kế, điện áp DC phát ra thay đổi trong một phạm vi nào đó.Điện áp ắc-quy có thể nằm trong phạm vi đó, hoặc bên ngoài hẳn (luôn lớn hơn hoặc nhỏ hơn).Tùy trường hợp, cần một bộ biến đổi DC/DC tăng áp hoặc giảm áp, hoặc vừa tăng áp vừa giảm áp.18Bài giảng 12Mạch nghịch lưu (DC/AC)Mạch nghịch lưu 1 pha được dùng cho công suất nhỏ, và 3 pha cho công suất lớn.Tiếp theo là một nghiên cứu tổng quan về các bộ nghịch lưu một pha, được công bố trên tạp chí IEEE Transactions on Industry Applications. S. Kjaer; J. Pedersen; F. Blaabjerg, “A Review of Single Phase Grid connected Inverters for Photovoltaic Modules”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41 No. 5, October 2005, pp. 1292-1306.19Bài giảng 12Mạch nghịch lưu 1 pha (DC/AC)Phân loại mạch nghịch lưu theo tiến trình phát triểnMạch nghịch lưu tập trungMạch nghịch lưu theo nhánhMach nghịch lưu nhiều nhánhModule AC20Bài giảng 12Mạch nghịch lưu 1 pha (DC/AC)Phân loại mạch nghịch lưu theo số tầng công suấtMạch nghịch lưu một tầng (a)Mạch nghịch lưu hai tầng (b)Mach nghịch lưu hai tầng phối hợp (c)21Bài giảng 12Mạch nghịch lưu 1 pha (DC/AC)Phân loại mạch nghịch lưu theo vị trí tụ khử ghépPhân loại mạch nghịch lưu theo cách dùng máy biến áp22Bài giảng 12Mạch nghịch lưu 1 pha (DC/AC)Phân loại mạch nghịch lưu theo tầng nghịch lưu23Bài giảng 12Module ACBộ nghịch lưu kiểu flyback dùng liên kết tần số cao, một khóa bán dẫn, 100 WCông suất 100 W, ngõ vào 48 V, ngõ ra 230 V, hiệu suất 96%, hệ số công suất ngõ ra 0,95524Bài giảng 12Module ACBộ nghịch lưu kết hợp flyback và buck-boost 105 WCông suất 105 W, ngõ vào 35 V, ngõ ra 85 V, THD < 5%25Bài giảng 12Module ACBộ nghịch lưu Shimizu sửa đổi (160 W, 28 V, 230 V, 87%)26Bài giảng 12Module ACBộ nghịch lưu buck-boost, 160 WVào 100 V, ra 160 V27Bài giảng 12Module ACModule nghịch lưu dùng bộ biến đổi DC/DC flyback 150-W kết hợp với bộ nghịch lưu tần số lưới28Bài giảng 12Module ACModule kết hợp bộ biến đổi DC/DC flyback 100-W với một bộ nghịch lưu PWM29Bài giảng 12Module ACBộ biến đổi DC/DC cộng hưởng nối tiếp 110-W kết hợp với bộ nghịch lưu tần số cao30 – 230 V30Bài giảng 12Module ACSơ đồ hai tầng của Mastervolt Soladin 120Vào 24-40 V, ra 230V, 91%, hệ số công suất 0,9931Bài giảng 12Bộ nghịch lưu nhánhBộ nghịch lưu nửa cầu ba bậc, mạch kẹp bằng diode, không dùng biến áp32Bài giảng 12Bộ nghịch lưu nhánhBộ nghịch lưu nguồn áp hai bậc, giao tiếp với hai nhánh33Bài giảng 12Mạch nghịch lưu hòa lưới (DC/AC)Các vấn đề kỹ thuật của mạch nghịch lưu hòa lướiĐồng bộ hóa với lưới điệnĐiều chỉnh công suất tác dụng phát vào lướiĐiều chỉnh công suất phản khángThực hiện dò tìm công suất cực đại của nguồn NLTTMạch nghịch lưu cho hệ độc lập không cần thực hiện đồng bộ với lưới điện nhưng vẫn cần điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng theo nhu cầu phụ tải.34Bài giảng 12Ví dụ tính toán hệ điện mặt trời độc lậpThiết kế hệ cấp nguồn độc lập từ pin mặt trời cho một trạm quan trắc, với các yêu cầu: công suất trung bình 20 W, hoạt động liên tục 24/365, điện áp ngõ vào 10 – 42 V. Tại vị trí lắp đặt trạm, số giờ nắng tối thiểu và trung bình lần lượt là 3,4 giờ và 5,1 giờ.35Bài giảng 12Ví dụ tính toán hệ điện mặt trời hòa lướiThiết kế hệ cấp nguồn hòa lưới từ pin mặt trời cho một hộ gia đình, với các yêu cầu: điện năng hàng năm 3600 kWh, công suất tức thời tối đa là 2 kW, công suất đỉnh tối đa 5 kW, lưới điện 220 VAC, 50 Hz. Tại vị trí lắp đặt, số giờ nắng tối thiểu và trung bình lần lượt là 3,4 giờ và 5,1 giờ.36Bài giảng 12