Đồ án thiết kế bộ biến đổi dc dc 2 chiều

LỜI NÓI ĐẦU
Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển
đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng
điện là hết sức cần thiết. Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện
áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Một bộ nâng điện áp là một
bộ biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào, nó thường được sử
dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như hệ thống quang điện, hệ thống pin
nhiên liệu, để tăng điện áp đầu ra của các hệ thống này lên mức yêu cầu phù hợp.
Bộ biến đổi DC-DC hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị
biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng
lượng tái tạo (sức gió, mặt trời). Các bộ biến đổi DC-DC trong các hệ thống năng
lượng lưu trữ giúp cho các hệ thống năng lượng tái taọ khắc phục được các hạn chế
của nó. Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều
khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu
của các cơng trình nghiên cứu. Vì vậy em được bộ môn giao cho đề tài tốt nghiệp “
Nghiên cứu bộ biến DC-DC bidrectional trong các hệ thống năng lượng tái tạo”.
Đồ án gồm có 3 chương :
Chương 1 : Tổng quan về các hệ thống năng lượng tái tạo
Chương 2 : Nghiên cứu các bộ biến đổi DC-DC
Chương 3 : Tổng hợp bộ điều khiển cho các bộ biến đổi DC-DC
bidrectional
Trong quá trình nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong
Bộ môn Điện tự động Công nghiệp đặc biệt là thầy giáo TH.S PHẠM TUẤN
ANH, cùng với sự nỗ lực của bản thân em đã hồn thành được đồ án này.
Sinh viên
Mai Đình Hiển

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
1

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Sơ đồ khối chung trình bày về điện tử cơng suất kết hợp cùng với hệ thống
DE (distributed energy) trình bày trong hình 1.1. Các giao diện điện tử cơng suất
cho phép các nguồn điện từ các hệ thống phân phối năng lượng và biến đổi thành
các nguồn năng luợng có yêu cầu điện áp và tần số . Đối với các hệ thống dự trữ ,
năng luợng có thể chảy theo hai chiều giữa nguồn dự trữ và lưới. Hình 1.1 minh
họa hệ thống phân phối năng lượng bao gồm có bốn modul chính của giao diện
điện tử cơng suất. Nó bao gồm modul biến đổi nguồn đầu vào, một modul nghịch
lưu, modul đầu ra và modul điều khiển. Đường mũi tên một chiều thể hiện năng
lượng chỉ chảy theo một chiều còn đường mũi tên hai chiều cho thấy năng lượng
chảy theo hai chiều.
Việc thiết kế modul biến đổi nguồn đầu vào phụ thuộc vào đặc tính của
nguồn năng lượng hoặc của các ứng dụng dự trữ năng lượng. Hệ thống phân phối
năng lượng có đầu ra là xoay chiều thường có tần số thay đổi như các hệ thống
năng lượng sức gió, tuabin, hệ thống dự trữ bánh đà cần thiết phải có bộ biến đổi
AC-DC . Đối với các hệ thống có đầu ra là DC như hệ thống quang điện, pin nhiên
liệu, ắc quy thì cần thiết phải có một bộ biến đổi DC-DC để chuyển đổi điện áp DC
thành điện áp phù hợp. Modul nghịch lưu DC-AC là modul chung để chuyển đổi
điện áp một chiều DC thành điện áp AC phù hợp với lưới.

2


nguon nang
luong

modul AC-DC
hoac DC-DC

modul DC-AC

PV, gio, tua
bin ,pin nhien
lieu
he thong du tru
ac quy , banh
da

modul dau ra
luoi
PCC
tai

Modul dieu
khien

Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống điện tử công suất điển hình
1.2. HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN
1.2.1. khái qt chung
Cơng nghệ quang điện liên quan đến việc chuyển đổi trực tiếp năng lượng
mặt trời thành năng luợng điên bằng phuơng pháp của một tế bào năng luợng mặt
trời . một tế bào năng luợng mặt trời thường được sản xuất bằng các thiết bị bán
dẫn như silicon tinh thể và hấp thụ ánh sáng mặt trời tạo ra điện thông qua một quá
trình hiệu ứng quang điện . hiệu quả của một tế bào năng lượng mặt trời được xác
định bởi khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện có thể sử
dụng được và thường là khoảng 10-15%. Do đó, để sản xuất số lượng đáng kể năng
lượng điện, các tế bào năng lượng mặt trời phải có diện tích bề mặt lớn.
Các tế bào năng lượng mặt trời thường được sản xuất riêng lẻ và kết hợp với nhau
thành các modul bao gồm từ 36 tới 72 tế bào, tuỳ thuộc vào điện áp và dòng điện
đầu ra của các modul. Các modul khác nhau về kích thước của nhà sản xuất , nhưng

thường là từ 0,5 đến 1m2 . và tạo ra khoảng 100W/m2 năng lượng trong điều kiện
tối đa cho 1 modul với hiệu suất khoảng 10% . Ngồi ra các modul cũng có thể
đuợc nhóm lại với nhau với khối lượng và cấu hình khác nhau (đuợc nói rõ ở phần

3


sau) để tạo thành các mảng có đặc tính dịng điện và điện áp đặc trưng. Phân biệt
giữa modul và các mảng là rất quan trọng khi xem xét giao diện điện tử cơng suất.
Hình 1.2 trình bày các tấm PV (Photovoltaic) điển hình cấu thành mảng . Đối với
một hệ thống PV(Photovoltaic) điện áp DC đầu ra là 1 hằng số có độ lớn phụ thuộc
vào cấu hình mà trong đó các tế bào năng lượng mặt trời/modul được kết nối. mặt
khác , dòng điện đầu ra của hệ thống PV chủ yếu phụ thuộc vào bức xạ năng lượng
mặt trời sẵn có.u cầu chính của các giao diện điện tử công suất là việc chuyển đổi
điện áp DC được tạo ra thành điện áp AC thích hợp cho các hộ tiêu thụ và các kết
nối đa năng.Thông thường độ lớn điện áp DC của các mảng PV được yêu cầu phải
tăng lên đến một giá trị cao hơn bằng cách sử dụng các bộ biến đổi DC-DC trước
khi chuyển đổi thành AC thích hợp. bộ nghịch lưu DC-AC lúc đó được sử dụng để
chuyển đổi thành điện áp 60Hz AC. Q trình điều khiển điện áp và dịng điện đầu
ra của các mảng phải được tối ưu hoá dựa trên điều kiện thời tiết .Các thuật toán
điều khiển chun mơn hố được gọi là điểm giám sát cơng suất lớn nhất(MPPT)
để liên tục tách ra số lượng tối đa công suất từ các mảng trong điều kiện khác
nhau . Quá trình điều khiển MPPT và tăng điện áp thường được thực hiện bằng các
bộ biến đổi DC-DC , khi đó bộ nghịch lưu DC-AC đuợc sử dụng để điều khiển
dịng điện lưới.

Hình 1.2: Các mảng PV
4

1.2.2. Cấu hình của hệ thống quang điện
Các modul PV(Photovoltaic) được kết nối với nhau thành các mảng để sản
xuất được số lượng điện năng lớn.Các mảng sau đó được kết nối với các thành
phần của hệ thống như các bộ nghịch lưu để biến đổi nguồn DC được sản xuất từ
các mảng thành AC để cung cấp cho các hộ tiêu thụ điện năng.các bộ nghịch lưu
cho hệ thống PV thực hiện nhiều chức năng khác nhau , nó biến đổi nguồn DC tạo
ra thành nguồn AC tương thích với tiện ích. Nó cũng bao gồm chức năng bảo vệ để
kiểm tra các kết nối của lưới và nguồn PV và có thể cách ly mảng PV nếu có vấn
để xảy ra. Biến tần giám sát các điều kiện thiết bị đầu cuối của modul PV và bao
gồm MPPT (Maximum power point tracking) để tăng tối đa khả năng thu năng
lượng .MPPT duy trì hoạt động của mảng PV đạt hiệu quả cao nhất có thể qua một
loạt các điều kiện đầu vào có thể thay đổi tuỳ theo các ngày và các mùa.
Hệ thống PV có thể được cấu trúc thành nhiều cấu hình hoạt động . Mỗi cấu hình
dựa trên giao diện điện tử cơng suất mà nó kết nối với các hệ thống lưới điện.Hình
1.3 trình bầy cấu hình ờ đó một biến tần tập trung được sử dụng. đây là một là cấu
trúc phổ biến duy nhất đã sử dụng . Các modul PV được kết nối nối tiếp hoặc song
song với nhau và kết nối tới bộ biến đổi tập trung DC-AC . Ưu điểm chính của thiết
kế này là nếu biến tần là bộ phận tốn kém nhất của hệ thống, thì hệ thống này có
chi phí thấp nhất vì có mỗi sự hiện diện cuả biến tần . Những bất lợi chính của cấu
hình này là các tổn thất cơng suất có thể cao hơn do sự không phù hợp giữa các
modul PV và sự hiện diện của các diot String (chuỗi). Một bất lợi khác là cấu hình
này có một điểm duy nhất hỏng tại biến tần , do vậy nó có độ tin cậy thấp hơn.

5


Diot
String
Tam
PV

Tam
PV

Tam
PV

Tam
PV

Tam
PV

Tam
PV

bo bien doi
chinh

luoi

Hình 1.3: cấu hình tập trung PV
Hình 1.4 trình bày cấu hình một chuỗi mảng hệ thống PV. Một loạt các tấm PV
được kết nối theo hình thức một chuỗi. Thông thường, 15 tấm được kết hợp với
nhau trong chuỗi và kết nối với nhau thông qua lợi ích cùng với một biến tần cho
mỗi chuỗi. Ưu điểm chính của cấu trúc liên kết này là khơng có tổn thất do ghép
nối các diot chuỗi và công suất lớn nhất điểm theo dõi có thể áp dụng cho mỗi
chuỗi. Điều này đặc biệt hữu ích khi nhiều chuỗi được gắn trên các bề mặt cố định
trong định hướng khác nhau. Những bất lợi chính của cấu hình này là do chi phí
tăng lên của việc bổ sung biến tần.

Điện áp đầu vào từ các chuỗi PV có thể đủ lớn để tránh phải khuếch đại điện áp .
Nhưng chi phí cho các tấm PV vãn cịn khá đắt , khuếch đại điện áp có thể thêm
vào cùng với chuỗi biến tần để giảm đi các modul PV .[6]. Chuỗi biến tần đa năng,
một sự phát triển của chuỗi biến tần , có một vài chuỗi được đưa qua bộ biến đổi
DC-DC để tăng điện áp lên và sau đó được kết nối với bus DC thơng thường. Một
biến tần DC-AC thơng thường sau đó được sử dụng để kết nối với lưới. Một chuỗi
hệ thống PV đa năng được trình bày như ở hình 1.4.

6


Tam
PV

Tam
PV

Nghich luu

Tam
PV

ngich luu

Luoi

Tam
PV

Tam

PV

Tam
PV

(a)
Tam PV

DC-DC

Tam PV

Tam PV

Tam PV

Tam PV

Tam PV

DC-DC

DC-AC

Luoi

(b)
Hình 1.4: Các mảng PV với cấu trúc nhiều chuỗi
Hình 1.5 trình bày cấu hình mà mỗi modul PV được ghép nối với biến tần riêng của
nó.thiết kế này được biết đến như một modul AC, Ưu điểm của hệ thống là nó đơn

giản để thêm các modul vì mỗi một modul có một biến tần DC-AC riêng và được
kết nối tới lưới được thực hiện bằng cách kết nối các wirings trường biến tần AC
với nhau. Ngồi ra cịn có một sự cải thiện tổng thể độ tin cậy của hệ thống bởi vì
khơng có điểm thất bại duy nhất cho hệ thống. Nó có độ linh hoạt cao . Tuy nhiên
các vi dụ này vẫn còn rất tốn kém so với hệ thống PV thơng thường vì phải sử dụng
7


nhiều biến tần Các tổn thất điện năng của hệ thống là giảm do sự khơng tương thích
giữa các phần giảm, nhưng các tổn thất liên tục trong biến tần có thể là giống như
đối với các biến tần chuỗi.Các thiết bị điện tử công suất được lắp đặt bên ngoài
cùng với các tấm PV và cần phải được thiết kế để hoạt động trong mơi trường
ngồi trời .Các modul AC là một lựa chọn đầy hứa hẹn cho tương lai vì nó có thể
được sử dụng cho các cá nhân mà khơng cần am hiểu về chun ngành.

Hình 1.5: Cấu trúc của modul điện tử công suất AC
1.2.3. Cấu trúc điện tử công suất
Cấu trúc điện từ công suất cho hệ thống PV có thể được phân loại dựa trên số
lượng giai đoạn xử lý cơng suất vị trí của tụ điện tách điện, máy biến áp sử dụng,
và các loại giao diện mạng lưới .[6].
a. Một pha - một tầng
Cấu trúc chủ yếu cho biến tần PV là một pha , mạch như hình 1.6 . điện áp đầu ra
của bộ biến đổi DC từ các mảng được đưa qua tụ bộ lọc . tụ lọc được sử dụng để
làm giảm dịng sóng hài ở các mảng . Đầu ra của tụ được kết nối tới một bộ biến
đổi cầu full bridge và đầu ra của bộ biến đổi được nối tới một cuộn cảm , hạn chế
tần số cao và đưa vào hệ thống AC tổng điện áp đầu ra việc điều khiển tương thích
các cơng tắc và có bộ điều khiển nối tiếp điều khiển các xung dương và xung âm
của các nửa chu kỳ dương và âm của điện áp hình sin. Để cho phép hoạt động hoặc
8

đạt được chỉ số cơng suất thì các cơng tắc phải được điều khiển để đáp ứng được
điện áp đầu ra đạt yêu cầu. Điều khiển vòng lặp được sử dụng để đồng bộ hóa điện
áp đầu ra của biến tần và điện áp lưới. Các mảng PV lúc đó được kết nối với lưới
thông qua một biến áp cách ly. Có một vài hạn chế của cấu trúc này , đầu tiên tất cả
các modul được kết nối với các thiết bị cùng một MPPT. Điều này gây tổn thất
cơng suất nghiêm trọng.

Hình 1.6: Cấu trúc một pha- một tầng
b. một pha nhiều bậc
Để tránh cồng kềnh, máy biến ấp tần số thấp được coi là một thành phần thơ chủ
yếu là do kích thước là hiệu quả thấp . Hệ thống chuyển đổi nhiều bậc được sử
dụng rộng rãi cho thế hệ PV .Phổ biến nhất là cấu trúc 2 bậc bao gồm có một bộ
biến tần DC-AC điều chế độ rộng xung cùng với một vài bộ biến đổi DC-DC được
kết nối với nhau.Nói chung bộ biến đổi DC-DC thực hiện theo dõi điểm công suất
lớn nhất và khuếch đại điện áp.Các biến tần DC-AC full bridge điều khiển dòng
điện lưới bằng hoạt động PWM. Một thiết kế đơn giản cho biến tần nhiều bậc trình
bày ở hình 1.7, trong đó sử dụng một biến áp tần số cao cho việc kết nối điện áp 1
pha vào lưới.Điện áp DC đầu vào được đảo chiều để tạo ra một AC tần số cao bên
phần sơ cấp của biến áp tần số cao . điện áp thứ cấp của biến áp được chỉnh lưu kết
quả điện áp DC đầu ra được đưa qua một bộ biến tần nguồn dòng thyristor . dòng
đầu ra yêu cầu phải sin và cùng pha với điện áp dây . Các dạng sóng điện áp đó
được phải tham chiếu với dạng sóng hình sin của dịng điện có biên độ được xác
9


định theo một bộ điều khiển. biến tần có thể được điều khiển bằng cách sử dụng
các bộ điều chỉnh dịng điện

Tam PV

bien ap
xung

Luoi

Tam PV
Tam PV

Hình 1.7: Cấu trúc một pha nhiều tầng
c. Ba pha
Đối với hệ thống trên 10kw, hầu hết thường sử dụng biến tần 3 pha .Nhũng
cấu hình mơ tả cho hệ thống 1 pha có thể sử dụng cho hệ thống 3 pha . việc cách ly
với lưới có thể sử dụng 1 máy biến áp tần số cao (biến áp xung).Trong trường hợp
sau cần bổ sung một bộ biến đổi DC từ các tấm PV thành AC tần số cao.
Hình 1.8 trình bày một cấu trúc cơ bản của hệ thống 3 pha có sử dụng một biến áp
3 pha. Đầu ra DC của các mảng PV được kết nối với một tụ lọc .Đầu ra của tụ lọc
được đưa tới đầu vào của biến tần nguồn áp 3 pha . Đầu ra của mỗi pha được nối
với 1 cuộn cảm và 1 tụ điện để giảm sóng hài bậc cao trước khi đưa vào hệ thống
AC. Tổng điện áp đầu ra AC tương thích với bộ điều khiển của các thiết bị chuyển
mạch. Một biến áp 3 pha được sử dụng để kết nối với lưới.
Các cấu hình khác nhau khơng sử dụng biến áp có thể áp dụng cho hệ thống PV ,
tuy nhiên những cấu trúc đó thường được sử dụng cho các quốc gia châu âu và nhật
bản vì ở đó việc nối đất cho biến tần là không bắt buộc. tại hoa kỳ yêu cầu hệ thống
nố đất và phải giám sát việc nối đất khi điện áp vượt quá 50V.

10


Hình 1.8: Cấu trúc biến áp ba pha

Hình 1.9 một biến áp được đưa vào bộ biến đổi DC tần số cao. Cấu trúc này rất
hữu ích cho cấu hình nhiều chuỗi. ở đó mỗi chuỗi được kết nối với 1 bus DC và
chuyển sang lưới AC tương thích bằng cách sử dụng duy nhất 1 biến tần DC-AC.
bo bien doi DC-DC

Tam PV

Bus DC

bien ap
xung

Tam PV

luoi
bo bien doi DC-DC

Tam PV

bien ap
xung

Tam PV

Hình 1.9: Cấu trúc nhiều chuỗi có sử dụng biến áp tần số cao
1.2.4. Tổng quan về điện tử công suất và điều khiển
Từ những giả thiết trong các mục trước. có thể thấy rằng cấu trúc chung nhất
cho cấu trúc điện tử công suất để ứng dụng của hệ thống PV là bộ biến đổi DC-DC
được nhúng cùng với một biến áp tần số cao , cùng với biến tần DC-AC được sử
dụng như trình bày ở hình 1.9. Nhìn chung MPPT và điện áp tăng lên nhờ việc điều

11


khiển bộ biến đổi DC-DC . điều khiển dòng chảy cơng suất tới lưới , hình sin và chỉ
số cơng suất được điều khiển bởi bộ biến tần DC-AC. Sơ đồ khối đơn giản cho hệ
thống PV cùng với giao diện điện tử cơng suất và điều khiển được trình bày trên
hình 1.10.
Các mạch điện tử cơng suất trình bày trên hình 1.10 bao gồm có một bộ biến đổi
DC-DC và một bộ biến tần ba pha. Bộ biến đổi DC-DC dựa trên nghịch lưu nguồn
dòng cầu full bridge và biến áp tần số cao được nhúng vào và chỉnh lưu. Như vậy
bộ nghịch lưu này bao gồm việc cách ly giữa chuỗi PV và lưới . hệ thống này dễ
dang thục hiện việc nối đất và phù hợp với Điều NEC 690 u cầu . Tầng vào
nguồn dịng có lợi vì nó giảm u cầu cho các tụ lọc mắc song song với các chuỗi
PV . Điện áp ra của chuỗi PV ban đầu được chuyển thành điện áp AC có tần số cao
, cách ly và tăng điện áp lên thông qua việc sử dụng một biến áp tần số cao Điện áp
thứ cấp của biến áp được chỉnh lưu sử dụng chỉnh lưu cầu full bridge .Điện áp DC
chỉnh lưu sẽ tương thích với điện áp AC và sau đó được kết nối tới lưới bằng việc
sử dụng một biến tần 3 pha nguồn áp.
Theo dõi điểm công suất tối đa(MPP) của mảng PV là một vấn đề cơ bản của hệ
thống PV.Trong những năm qua nhiều phương pháp MPPT đã được phát triển và
thực hiện Những phương pháp này khác nhau về độ phức tạp, yêu cầu cảm biến,
tốc độ hội tụ, chi phí, hiệu quả, phần cứng thực hiện, phổ biến, tên của một số
phương pháp như : hill climbing, perturb and observe, incremental conductance,
fractional open-circuit voltage, fractional short-circuit current, fuzzy logic and
neural network control, ripple correlation control, current sweep, DC-link capacitor
droop control, load-current or load-voltage maximization, and dP/dV or dP/dI
feedback control.
Hình 1.10 giới thiệu một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả cho MPPT. Bằng
cách đo điện áp và dịng điện. cơng suất đầu ra của mảng PV được tính tốn và so
sánh với công suất ra của mảng PV thực tế .Phụ thuộc vào kết quả so sánh chu kỳ

duty được thay đổi để điều khiển dòng đầu vào cho biến tần nguồn dịng. Q trình
12


này lặp lại cho đến khi điểm công suất tối đa đạt tới. Các loại bộ điều khiển của
MPPT cũng được phát triển trong khuôn khổ của cùng một bộ điều khiển. hơn nữa
ngồi ra bộ điều khiển có thể được thiết kế để điều khiển biên độ điên áp AC tần số
cao ở bên phần sơ cấp của biến áp.
Có 2 chế độ điều khiển cơ bản cho việc kết nối biến tần vào lưới. Một là điều khiển
dòng điện dịng điện khơng đổi, cách khác là điều khiển cơng suất khơng đổi nó
vẫn cịn gây nhiều tranh cãi nếu một biến tần nên cho phép điều chỉnh điện áp trong
khi kết nối với lưới. Các tiêu chuẩn dòng điện IEEE 1547 không cho phép phân
phối sản lượng để chủ động điều chỉnh điện áp, trong khi một số người trong ngành
đề xuất điều chỉnh điện áp có thể có một số tác động tích cực trên lưới điện (Ye và
cộng sự năm 2006.). Điều chỉnh cho việc kết nối biến tần được trình bày với cơng
suất khơng đổi hình 1.10

Hình 1.10: Cấu trúc chung điều khiển của hệ thống PV
1.3. PIN NHIÊN LIỆU
1.3.1. Khái quát chung
Pin nhiên liệu hiện đang được phát triển có thể được sử dụng để thay thế cho
động cơ xe đốt trong cũng như các ứng dụng cho việc phát điện . Một tế bào nhiên
liệu là một thiết bị điện hóa học nó sản xuất ra điện mà không cần qua giai đoạn
13


trung gian nào cả. Những lợi ích quan trong nhất của pin nhiên liệu là lượng khí
thải, khí của hiệu ứng nhà kính thấp và mật độ năng lượng cao.Mật độ năng lượng
của một tế bào nhiên liệu điển hình là 200Wh/l ,nó gần mười lần của ắc quy. Hiệu
suất của pin nhiên liệu cũng khá cao khoảng từ 40-60%. Nếu nhiệt lượng thải ra mà

được sử dụng cho đồng phát , thì hiệu quả tổng của hệ thống này lên tới 80% .một
tế bào nhiên liệu ổn định tiêu biểu của hệ thống trình bày ở hình 1.11.

Hình 1.11: Tế bào của hệ thống pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu có thể phân loại thành 5 loại dựa vào chất điện phân hóa học : pin
nhiên liệu trao đổi màng proton (PEMFC);pin nhiên liệu oxit rắn ; pin nhiên liệu
dùng cacbonnat nóng chảy;  pin nhiên liệu kiểu axit phơtphoric; pin nhiên liệu
ngậm nước có tính kiềm. Trong các loại pin nhiên liệu này thì PEMFC đang được
phát triển nhanh chóng như là một nguồn năng lượng chính trong cung cấp điện và
phân phối điện vì mật độ điện cao ,nhiệt độ làm việc thấp, bền và cấu trúc đơn giản.
Đối với các loại pin nhiên liệu PEM, hydro và khí oxy được đưa vào trong các pin
nhiên liệu. Anot của các pin nhiên liệu – là một kết nối tiêu cực để dẫn các điện tử những hạt được giải phóng từ các phân tử hydro áp lực, làm ăn mịn các kênh do sự
phân bố đều của khí hydro áp lực trên bề mặt của chất xúc tác.
14


Cathode là kết nối tích cực của các tế bào nhiên liệu,nó mang lại điện tử từ các
mạch điện bên ngồi tới các chất xúc tác, nơi mà nó kết hợp với các ion hydro và
ơxy, tạo thành nước, đó là các sản phẩm phụ của các pin nhiên liệu. Chất điện phân
là màng trao đổi proton, một loại vật liệu đặc biệt được điều trị, cho phép truyền
dẫn các ion tích điện dương, trong khi khơng cho phép các điện tử đi qua nó. Có
một chất xúc tác tạo điều kiện cho các phản ứng của oxy và hydro. Chất xúc tác
này thường làm bằng bột bạch kim phủ trên một giấy than hoặc vải. Chất xúc tác là
lỗ hổng để tăng tối đa diện tích bề mặt tiếp xúc giữa khí hydro và oxy. Phía bạch
kim tráng của bề mặt chất xúc tác là chất điện phân. Hình 1.12 dưới đây cho thấy
một hình ảnh của một tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC). Phản ứng
được mô tả trong một tế bào, dẫn đến tạo ra điện áp khoảng 0,7 vôn. Nhiều pin
nhiên liệu thường được ghép nối tiếp với nhau thành một bộ để tăng điện áp lên.
(Distributed Utility Associates 2003).

Hình 1.12: Quá trình trao đổi proton
Một số vấn đề kỹ thuật cần được khắc phục trước khi PEMFC có thể được áp dụng
rộng rãi cho mục đích năng lượng tĩnh. Hầu hết các hệ thống sử dụng vật liệu đắt
tiền và có một thời gian sử dụng ngắn trước khi hư hỏng .Việc sử dụng hydro tinh
khiết gây ra sự tổn hao của các vật liệu điện và chất xúc tác, có thể dẫn đến thay thế
toàn bộ các tế bào nhiên liệu sau khi hoạt động bị hạn chế. Một trong những hàng
rào kỹ thuật lớn nhất để áp dụng rộng rãi PEMFCs là sự phát triển của hệ thống lưu
trữ và phân phối hydro an tồn .Hidro có tỉ số năng lượng/hệ số thể tích thấp hơn so
15


với các nhiên liệu khác .Nghiên cứu đổi mới đang được tiến hành để đạt được sự
lưu trữ hydro như điện gió, sản xuất nhiệt hóa học, lưu trữ hidro hóa chất…
1.3.2. Cấu hình của hệ thống pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu cũng như các hệ thống PV nó cung cấp nguồn DC. Hệ thống
biến đổi điện, bao gồm biến tần, và bộ biến đổi DC-DC , thường được yêu cầu để
cung cấp nhu cầu tải bình thường cho khách hàng hoặc đưa điện vào lưới.

Hình 1.13: Hệ thống pin nhiên liệu cùng với biến tần một pha
Hình thức đơn giản của cấu hình hệ thống pin nhiên liệu , hình 1.13 bao gồm hệ
thống pin nhiên liệu xếp chồng tiếp theo là bộ biến đổi DC-AC . nếu có yêu cầu
cách ly hoặc chuyển đổi điện áp với tỷ lệ cao thì một biến áp được sử dụng vào hệ
thống. Hạn chế chính của hệ thống này là một biến áp tần số thấp được đặt tại đầu
ra của biến tần nên làm cho hệ thống rất cồng kềnh và tốn kém.
Một bộ biến đổi DC-DC thường được đặt ở giữa hệ thống pin nhiên liệu và biến
tần.
Bộ biến đổi DC-DC có 2 chức năng chính:
1 . Cách ly DC cho biến tần
2. Tạo ra điện áp đủ cho đầu vào biến tần và thỏa mãn yêu cầu độ lớn điện áp của
nguồn xoay chiều.

Biến tần có thể là một pha hoặc 3 pha tùy thuộc vào việc kết nối với lưới.
DC-DC

luoi

Hình 1.14: Cấu trúc hệ thống pin nhiên liệu với bộ biến đổi DC-DC
Một cấu hình khác có thể có của hệ thống bao gồm có một biến tần DC-AC tần số
cao nó cho phép chuyển đổi điện áp DC của pin nhiên liệu thành điện áp AC tần số
16


cao sau đó chuyển đổi điện áp AC tần số cao thành điện áp AC . Cách này chuyển
đổi năng lượng trực tiếp hơn so với cấu trúc bus DC có bộ biến đổi DC cách ly.
Cấu trúc này cho phép năng lượng chảy theo hai chiều và nó thích hợp hơn cho hệ
thống một pha.

Hình 1.15: Cấu trúc hệ thống pin nhiên liệu có bộ biến đổi AC-AC
1.3.3. Cấu trúc điện tử công suất
Cấu trúc điện tử công suất cho hệ thống pin nhiên liệu rất đa dạng và dựa trên
số lượng và các tầng trong hệ thống chuyển đổi . hai cấu trúc mà có thể sử dụng
cho hệ thống pin nhiên liệu để cung cấp cho các hộ tiêu thụ bao gồm cấu trúc
cascaded DC-DC và DC-AC và cấu trúc cascaded DC-AC và AC-AC. Ngoài ra
thời gian gần đây cịn có phát triển hoặc đề xuất cho những ứng dụng của pin nhiên
liệu bao gồm một bộ chuyển đổi nguồn Z kết hợp chức năng tăng áp của bộ DCDC và biến tần nguồn áp (VSI) (Blaabjerg et al. 2004).
Cấu trúc Cascaded DC-DC và DC-AC (DC-Link)
Có nhiều cấu trúc có thể sử dụng bộ biến đổi DC-DC và biến tần DC-AC.Bô biến
đổi DC-DC kinh điển là bộ biến đổi cầu H như ở hình 1.16 (a) là một sự phát triển
mạnh mẽ đã được chứng minh. Tuy nhiên để giảm tổn thất chuyển đổi , chuyển
mạch mềm PE giống như bộ biến đổi cầu có cộng hưởng nối tiếp hình 1.16 (b)

17


Hình 1.16: Cấu trúc các bộ biến đổi DC-DC
Có thể sử dụng bộ chuyển đổi phức tạp tuy nhiên dạng sóng phải chính xác hoặc
chế độ điều khiển dịng phải ngăn ngừa bão hòa từ biến áp tràn qua để tránh gây
thiệt hại. Lợi ích chính của cộng hưởng là bảo vệ ngắn mạch và làm cho biến áp
không bị bão hịa từ. Hình 1.16 (c) cho thấy một bộ biến đổi DC-DC kiếu push-pull
nó địi hỏi điện áp và dịng điện cao . Cầu chỉnh lưu diot ở hình 1.16 cũng có thể
được thay thế bằng chỉnh lưu half-bridge.
Các biến tần 3 pha có thể được sử dụng cho việc kết nối với lưới 3 pha. Hình 1.17
trình bày 2 cấu trúc biến tần thông dụng cho ứng dụng của hệ thông pin nhiên liệu.
Chuyển đổi hard-switching được thiết kế và kiểm nghiệm tốt và được sử dụng cho
các ứng dụng công nghiệp. tuy nhiên bị tổn thất khi chuyển mạch.
Biến tần có các nhánh cộng hưởng được trình bày trong hình 1.17 và nó là một cải
tiến của biến tần hard-switching cùng với ZVS. Một biến đổi điều chế tần số có thể
cải thiện phạm vi chuyển đổi mềm. Cộng hưởng nhánh clamp biến tần là một cải
thiện của của biến tần kinh điển. khi đó điện áp của DClink cao gấp hai lần điện áp
DC link ban đầu . Sau khi bổ sung thêm thiết bị nhánh clamp điện áp DC link có
thể được điều khiển 1,3 lần so với điện áp đầu vào. Tuy nhiên chỉ có phương pháp
điều biến mới có thể được sử dụng.
18


Hình 1:17. Bộ nghịch lưu ba pha
Một hệ thống điều hòa năng lượng cho pin nhiên liệu cùng với bộ biến đổi DC-DC
và biến tần DC-AC có thể được xây dựng với sự kết hợp của bộ chuyển đổi như đã
thỏa luận ở trên. Một ví dụ cho hệ thống pin nhiên liệu cùng với giao điện điện tử
công suất đưa vào một hệ thống 3 pha trình bày ở hình 1.18. Khi đó bộ biến đổi
DC-DC cầu cách ly và một biến tần nguồn áp được sử dụng.

Hình 1.18: Cấu trúc hệ thống pin nhiên liệu sử dụng bộ biến đổi DC-DC
1.3.4. Tổng quan về điện tử công suất và điều khiển
Từ các vấn đề thảo luận trong phần trước , thấy rằng cấu trúc tổng quan nhất
cho cấu trúc điện tử công suất cho hệ thống pin nhiên liệu là một bộ biến đổi DCDC cùng với một biến áp tần số cao được nhúng vào và một biến tần DC-AC như
19


hình 1.18. Nói chung việc tăng điện áp và cách ly bởi bộ biến đổi DC-DC. Điều
chỉnh dịng cơng suất, cũng như đồng nhất sin và hệ số công suất bởi bộ biến tần
DC-AC. Sơ đồ đơn giản của hệ thống pin nhiên liệu PEM cùng với việc điều khiển
và điện tử cơng suất như hình 1.19.

Hình 1.19: Cấu trúc chung điều khiển của hệ thống pin nhiên liệu
1.4. HỆ THỐNG ẮC QUY LƯU TRỮ
1.4.1. Mô tả chung
Để tối ưu hóa cho hiệu suất lưới điện , Các hệ thống máy phát điện lớn nhất
cần được vận hành hết công suất trong tất cả các lần. Hệ thống máy phát bao gồm
hệ thống thủy điện, hạt nhân , nhiệt điện.trong một chu kỳ hàng ngày điển hình,
khách hàng sử dụng điện lưới . Tại thời điểm sử dụng nhiều nhất , hoặc tải đạt đỉnh,
ngoài ra khi hiệu suất phát điện của máy phát điện thấp thì cần bổ sung vào lưới để
hỗ trợ cho việc tăng tải. Các máy phát điện hiệu quả thấp thì tốn kém để hoạt động
do chi phí cho nhiên liệu cao. Một số hệ thống dữ trữ năng lượng đang được xem
xét để khai thác năng lượng dư thừa được cung cấp bởi các máy phát hiệu quả nhất
trong quá trình tải thấp. Năng lượng thu được có thể được phát lại vào lưới khi cần
thiết để loại bỏ sự cần thiết của các máy phát điện chi phí cao.Bao gồm lưu trữ
trong hệ thống phân phối thường cung cấp cho người sử dụng khả năng phân phối
20