Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương VI: Ứng dụng hiệu quả năng lượng tái tạo - Nguyễn Quang Nam

1Bài giảng 12
408004
Năng lượng tái tạo
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài giảng 12
Ch. 6: Ứng dụng hiệu quả NLTT
6.1. Một số mạch biến đổi năng lượng

 Mạch biến đổi DC/DC

 Mạch nạp ắc-quy từ pin mặt trời

 Mạch nạp ắc-quy từ tuabin gió

 Mạch nghịch lưu (DC/AC)
6.2. Tính toán thiết kế sử dụng điện mặt trời

 Hệ điện mặt trời độc lập

 Hệ điện mặt trời hòa lưới
3Bài giảng 12
Mạch biến đổi DC/DC
 Tùy 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.
4Bài giảng 12
Mô hình của pin mặt trời
5Bài giảng 12
Mạch tăng áp (boost)
6Bài giảng 12
Mạch boost
 Nếu 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?
7Bài giảng 12
Mạch giảm áp (buck)
8Bài giảng 12
Mạch buck
 Nếu 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?
9Bài giảng 12
Mạch đảo áp (buck-boost)
10Bài giảng 12
Mạch buck-boost
 Mạch 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.
11Bài giảng 12
Các mạch biến đổi khác
 Mạch 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.
Ćuk
SEPIC
12Bài giảng 12
Các mạch biến đổi cách ly
 Những 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.
13Bài giảng 12
Các mạch biến đổi cách ly
 Ngoài mạch flyback, còn có các mạch forward, push-pull, 
half-bridge và full-bridge.
Forward Push-pull
Half-bridge Full-bridge
14Bài giảng 12
Mạch nạp ắc-quy từ pin mặt trời
 Thông 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?
15Bài giảng 12
Mạch nạp ắc-quy từ pin mặt trời
 Các 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.
16Bài giảng 12
Mạch nạp ắc-quy từ pin mặt trời
 Khi 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-boost

 Boost-buck (Ćuk)

 SEPIC

 Flyback

 Forward
D
DM
−
−=
1
D
DM
−
=
1
1
2
1 N
N
D
DM
−
=
1
2
N
NDM =
17Bài giảng 12
Mạch nạp ắc-quy từ tuabin gió
 Thông 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.
18Bài giảng 12
Mạch nạp ắc-quy từ tuabin gió
 Với 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.
19Bài giảng 12
Mạch 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.
20Bài giảng 12
Mạch nghịch lưu 1 pha (DC/AC)
 Phân loại mạch nghịch lưu theo tiến trình phát triển

 Mạch nghịch lưu tập trung

 Mạch nghịch lưu theo nhánh

 Mach nghịch lưu nhiều nhánh

 Module AC
21Bài giảng 12
Mạch nghịch lưu 1 pha (DC/AC)
 Phân loại mạch nghịch lưu theo số tầng công suất

 Mạch nghịch lưu một tầng (a)

 Mạch nghịch lưu hai tầng (b)

 Mach nghịch lưu hai tầng phối hợp (c)
22Bài giảng 12
Mạch nghịch lưu 1 pha (DC/AC)
 Phân loại mạch nghịch lưu theo vị trí tụ khử ghép
 Phân loại mạch nghịch lưu theo cách dùng máy biến áp
23Bài giảng 12
Mạch nghịch lưu 1 pha (DC/AC)
 Phân loại mạch nghịch lưu theo tầng nghịch lưu
24Bài giảng 12
Module AC
 Bộ nghịch lưu kiểu flyback dùng liên kết tần số cao, một 
khóa bán dẫn, 100 W
 Công suất 100 W, ngõ vào 48 V, ngõ ra 230 V, hiệu suất 
96%, hệ số công suất ngõ ra 0,955
25Bài giảng 12
Module AC
 Bộ nghịch lưu kết hợp flyback và buck-boost 105 W
 Công suất 105 W, ngõ vào 35 V, ngõ ra 85 V, THD < 5%
26Bài giảng 12
Module AC
 Bộ nghịch lưu Shimizu sửa đổi (160 W, 28 V, 230 V, 87%)
27Bài giảng 12
Module AC
 Bộ nghịch lưu buck-boost, 160 W
 Vào 100 V, ra 160 V
28Bài giảng 12
Module AC
 Module nghịch lưu dùng bộ biến đổi DC/DC flyback 150-W 
kết hợp với bộ nghịch lưu tần số lưới
29Bài giảng 12
Module AC
 Module kết hợp bộ biến đổi DC/DC flyback 100-W với một 
bộ nghịch lưu PWM
30Bài giảng 12
Module AC
 Bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng nối tiếp 110-W kết hợp với 
bộ nghịch lưu tần số cao
 30 – 230 V
31Bài giảng 12
Module AC
 Sơ đồ hai tầng của Mastervolt Soladin 120
 Vào 24-40 V, ra 230V, 91%, hệ số công suất 0,99
32Bài giảng 12
Bộ nghịch lưu nhánh
 Bộ nghịch lưu nửa cầu ba bậc, mạch kẹp bằng diode, 
không dùng biến áp
33Bài giảng 12
Bộ nghịch lưu nhánh
 Bộ nghịch lưu nguồn áp hai bậc, giao tiếp với hai nhánh
34Bài giảng 12
Mạch nghịch lưu hòa lưới (DC/AC)
 Các vấn đề kỹ thuật của mạch nghịch lưu hòa lưới

 Đồng bộ hóa với lưới điện

 Điều chỉnh công suất tác dụng phát vào lưới

 Điều chỉnh công suất phản kháng

 Thực hiện dò tìm công suất cực đại của nguồn NLTT
 Mạch 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.
35Bài giảng 12
Ví dụ tính toán hệ điện mặt trời độc lập
 Thiết 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.
36Bài giảng 12
Ví dụ tính toán hệ điện mặt trời hòa lưới
 Thiết 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.