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

408004 
Năng lượng tái tạo 
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 
2013 – 2014, HK1 
nqnam@hcmut.edu.vn 
1 
Bài 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 
2 
Bài 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. 
3 
Bài giảng 12 
Mô hình của pin mặt trời 
4 
Bài giảng 12 
Mạch tăng áp (boost) 
5 
Bài 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? 
6 
Bài giảng 12 
Mạch giảm áp (buck) 
7 
Bài 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? 
8 
Bài giảng 12 
Mạch đảo áp (buck-boost) 
9 
Bài 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. 
10 
Bài giảng 12 
Các mạch biến đổi khác 
Mạch Ć uk (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 Ć uk, tuy nhiên dòng điện ngõ ra không còn liên tục. 
Ć uk 
SEPIC 
11 
Bài 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. 
12 
Bài 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 
13 
Bài 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? 
14 
Bài 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. 
15 
Bài 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 ( Ć uk) 
SEPIC 
Flyback 
Forward 
16 
Bài 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. 
17 
Bài 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. 
18 
Bài 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. 
19 
Bài 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 
20 
Bài 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) 
21 
Bài 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 
22 
Bài giảng 12 
Mạch nghịch lưu 1 pha (DC/AC) 
Phân loại mạch nghịch lưu theo tầng nghịch lưu 
23 
Bài 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 
24 
Bài 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% 
25 
Bài giảng 12 
Module AC 
Bộ nghịch lưu Shimizu sửa đổi (160 W, 28 V, 230 V, 87%) 
26 
Bài giảng 12 
Module AC 
Bộ nghịch lưu buck-boost, 160 W 
Vào 100 V, ra 160 V 
27 
Bài 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 
28 
Bài giảng 12 
Module AC 
Module kết hợp bộ biến đổi DC/DC flyback 100-W với một bộ nghịch lưu PWM 
29 
Bài 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 
30 
Bài 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 
31 
Bài giảng 12 
Bộ nghịch lưu nhánh 
Bộ nghịch lưu nửa cầu ba bậc, mạch kẹp bằng diode, không dùng biến áp 
32 
Bài giảng 12 
Bộ nghịch lưu nhánh 
Bộ nghịch lưu nguồn áp hai bậc, giao tiếp với hai nhánh 
33 
Bài 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. 
34 
Bài 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. 
35 
Bài 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. 
36 
Bài giảng 12