nghiên cứu phát triển hệ thống nghịch lưu một pha có hòa lưới sử dụng trong các hệ thống biến đổi năng lượng tái tạo (năng lượng sạch)

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu













LƢƠNG HỒNG NHUNG






NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NGHỊCH
LƢU MỘT PHA CÓ HÕA LƢỚI SỬ DỤNG TRONG
CÁC HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO (
NĂNG LƢỢNG SẠCH )

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA









- 2014
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Nền khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng và đời sống người dân ngày
càng được cải thiện, kéo theo đó là nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng
cao. Trước tình trạng nguồn năng lượng truyền thống không tái tạo như : Dầu mỏ,
than, nhiệt điện…đang đứng trước những cảnh báo cạn kiệt buộc nhân loại phải vào
cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế. Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn
năng lượng tái tạo phân bổ rộng khắp trên toàn quốc. Vì nhu cầu về năng lượng của

Việt Nam được dự báo tăng bốn lần từ 2005-2030 và nhu cầu về điện sẽ tăng chín lần
từ 2005-2025 nên việc khai thác năng lượng tái tạo sẽ giúp Việt Nam giảm được sự
phụ thuộc vào các nguồn năng lượng ngoại nhập và đảm bảo an ninh năng lượng.
Thực tế cho thấy khi khai thác các nguồn năng lượng truyền thống đặc biệt là
khi đốt những nhiên liệu hóa thạch sinh ra tro xỉ, khí dioxyd carbon, khí dioxyd sulfur,
khí mono oxyd nitro và các chất thải. Tất cả đều được thải trực tiếp vào không khí gây
ra hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ khí quyển, biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi
trường, làm hại đến bộ hô hấp của sinh vật, làm tổn cháy thảo vật…
Đặc điểm chung của các nguồn năng lượng tái tạo là phụ thuộc vào tự nhiên và
có tần số không cố định. Bởi vậy cần phải có thiết bị biến đổi chúng thành nguồn một
chiều (trung gian) sau đó nghịch lưu để tạo ra nguồn xoay chiều có điện áp và tần số
phù hợp.
Mặt khác việc hòa lưới hệ thống điện sử dụng nguồn năng lượng sạch (năng
lượng mặt trời) giữ vai trò hết sức quan trọng, cần phải đảm bảo được các điều kiện
cần thiết để hòa lưới đồng thời việc nghiên cứu giải pháp để tối ưu công suất cũng là
một vấn đề đặc biệt được quan tâm .
Từ những phân tích ở trên tác giả xây dựng đề tài nghiên cứu :
“ Nghiên cứu phát triển hệ thống nghịch lưu một pha có hòa lưới sử dụng trong
các hệ thống biến đổi năng lượng tái tạo ( năng lượng sạch ) ”

3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị biến đổi điện một chiều từ pin mặt trời ( hoặc
điện gió ) thành điện xoay chiều 220V – 50 Hz hòa trực tiếp với lưới điện quốc gia.
- Mục tiêu cụ thể là :

+ Phân tích bộ nghịch lưu một chiều – xoay chiều.
+ Thiết kế và chế tạo thiết bị biến đổi điện một chiều từ pin mặt trời thành điện
xoay chiều 220V – 50 Hz hòa trực tiếp với lưới điện quốc gia.
+ Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lượng thực của hệ thống nhằm
tiếp tục phát triển hoàn thiện và hiện thực hóa đề tài.
Nội dung nghiên cứu:
Chương 1 : Tổng quan về thực trạng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo ở Việt Nam
Chương 2 : Nghiên cứu các bộ nghịch lưu
Chương 3 : Thiết kế thiết bị biến đổi điện một chiều từ pin mặt trời
Chương 4. Mô phỏng










4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THỰC TRẠNG SỬ DỤNG
NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO
( NĂNG LƢỢNG SẠCH ) Ở VIỆT NAM








5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



1. Khái niệm năng lƣợng tái tạo
Trong cách nói thông thường, năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng
lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực
của con người thì là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến
mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng
lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ
như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài
trên Trái Đất. [1]
Ưu điểm nổi bật của năng lượng tái tạo là có thể sử dụng lâu dài, bền vững và
thân thiện với môi trường

2. Lịch sử
Trước khi khai thác than vào giữa thế kỷ 19, gần như tất cả các nguồn năng
lượng con người sử dụng là năng lượng tái tạo. Hầu như không có một nghi ngờ việc
sử dụng năng lượng tái tạo lâu đời nhất được biết đến, ở dạng sinh khối truyền thống
nhiên liệu cháy có từ 790.000 năm trước đây. Sử dụng sinh khối để đốt đã trở nên phổ
biến hàng trăm, hàng ngàn năm sau đó, vào khoảng 200.000 đến 400.000 năm trước
[2]. Khoảng năm 200 trước công nguyên, người Trung Quốc sử dụng khí thiên nhiên
làm bay hơi nước từ nước biển để tạo muối [3].
Có lẽ việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo lâu đời thứ hai là khai thác gió để
chạy các tàu buồm. Việc này đã được thực hiện cách đây 7000 năm trên các tàu trên
sông Nin [4]. Khoảng 250 – 400 sau công nguyên người La Mã cổ đại chế tạo thành
công cối xay thủy lực 16 bánh với công suất trên 40 mã lực. Khoảng 800 – 1500 sau
công nguyên năng lượng gió được sử dụng trong hàng hải. Khoảng 874 sau công
nguyên bắt đầu sử dụng năng lượng địa nhiệt để sưởi ấm. [3]
Cho đến năm 1873, những mối quan tâm về cạn kiệt nguồn than đã thúc đẩy
việc thí nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời. [ 5 ] Sự phát triển của các động cơ năng
lượng mặt trời vẫn tiếp tục cho đến khi nổ ra chiến tranh thế giới lần thứ nhất. Tầm
quan trọng của năng lượng mặt trời được công nhận trong bài báo khoa học Mỹ năm
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1911: " Trong tương lai xa các nguồn nhiên liệu tự nhiên sẽ cạn kiệt [năng lượng mặt
trời] sẽ là phương tiện duy nhất đối với sự tồn tại của nhân loại" [ 6 ].
Năm 1898-1988 : Tái sử dụng năng lượng từ đốt rác ở New York vừa làm giảm
khối lượng rác và tái sử dụng năng lượng thông qua quá trình nhiệt [3].
Năm 1900 - 1950 : Cối xay gió bơm nước và phát điện ở vùng xa dân cư cộng
đồng [3].
Lý thuyết về đỉnh dầu được xuất bản năm 1956 [7]. Trong thập niên 1970, các

nhà môi trường đã thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng tái tạo theo cả hai hướng
là thay thế nguồn dầu đang dần cạn, cũng như thoát khỏi sự lệ thuộc vào dầu mỏ, và
các tuốc bin gió phát điện đầu tiên ra đời. Năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ lâu
để nung nóng và làm lạnh, nhưng các tấm pin mặt trời quá đắt để có thể xây dựng
những cánh đồng pin năng lượng mặt trời mãi cho đến năm 1980[8]
Lịch sử phát triển năng lượng mặt trời được trình bày như bảng 1.1. [9]
Bảng 1.1
1860
Auguste Mouchout ( Pháp ), một giảng viên toán học đã chuyển
đổi bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng cơ học.
1878
William Adams ( Anh ) xây dựng phản xạ của gương phẳng - bạc,
những tấm gương sắp xếp theo hình bán nguyệt. Để theo dõi sự
chuyển động của mặt trời, toàn bộ giá đã được cuộn quanh một đường
bán nguyệt, chiếu bức xạ tập trung vào nồi hơi cố định.
1883
Charles Fritts ( Hoa Kỳ ) xây dựng pin mặt trời thực sự đầu tiên
với tỉ lệ hiệu suất khoảng 1% đến 2%.
1883 - 1984
John Ericsson ( Hoa Kỳ ) phát minh và chế tạo nên động cơ mặt
trời sử dụng máng parabol
1921
Albert Einstein đoạt giải Nô-ben vật lý năm 1921 cho lý thuyết của
ông ấy giải thích hiệu ứng quang điện.
1947
Năng lượng khan hiếm trong thế chiến thứ 2 nên tòa nhà năng
lượng mặt trời trở nên phổ biến ở Hoa Kỳ.
Công ty Libbey-Owens-Ford đã xuất bản một cuốn sách có tiêu đề:
nhà năng lượng mặt trời của bạn, mô tả sơ lược tiểu sử của 49 kiến
trúc sư mặt trời vĩ đại nhất của quốc gia.

Giữa những
Frank Bridgers ( Hoa Kỳ ) thiết kế tòa nhà văn phòng thương mại
7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


năm 50
đầu tiên trên thế giới có hệ thống sưởi năng lượng mặt trời và thiết kế
thụ động. Toà nhà Bridgers-Paxton được liệt kê trong National
Historic Register như tòa nhà văn phòng năng lượng mặt trời nước
nóng đầu tiên của thế giới.
1969
" Lò năng lượng mặt trời" được xây dựng ở Odeillo, Pháp ; nó đặc
trưng cho gương parabot tám tầng
1974
Hiệp hội ngành công nghiệp năng lượng mặt trời (SEIA) được
thành lập. Các tổ chức đại diện cho lợi ích của ngành công nghiệp mặt
trời và hoạt động như một nhóm vận động hành lang ở Washington.
1977
Viện nghiên cứu năng lượng Mặt trời ( SERI ) được thành lập
(Nay là phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo Quốc gia [ NREL ]),
phòng thí nghiệm quốc gia cung cấp nghiên cứu và phát triển ủng hộ
mặt trời và quang điện.
1978
Đạo luật Policies Điều chỉnh dịch vụ công cộng ( PURPA ) năm
1978 quy định việc mua điện từ các cơ sở đủ điều kiện đáp ứng các
tiêu chuẩn nhất định về nguồn năng lượng và hiệu suất. 15% năng
lượng khấu trừ thuế được thêm vào 10% đầu tư khấu trừ thuế hiện có,
cung cấp ưu đãi đối với đầu tư vốn vào cơ sở sản xuất nhiệt năng

lượng mặt trời để sản xuất điện độc lập
1981
California ban hành một tín dụng thuế suất 25% cho chi phí vốn
của các hệ thống năng lượng tái tạo.
1982
Pin mặt trời công suất 10 MW lần đầu tiên đã được vận hành và
thiết lập tính khả thi của hệ thống tháp dùng điện. Vào năm 1988,
những năm cuối cùng của hoạt động, hệ thống đạt được hiệu suất
96%
1983
California cung cấp hệ thống năng lượng điện tái tạo với một công
ty tương đối, thị trường ổn định cho đầu ra của họ. Hệ thống này cho
phép các nhà tài trợ của các công nghệ nặng vốn như là mặt trời nhiệt
- điện. nhà máy SEGS ( 13,8 MW ) đã được xây dựng. Nhà máy
SEGS sử dụng công nghệ máng mặt trời để tạo ra hơi nước trong máy
phát điện tua bin hơi thông thường. Khí thiên nhiên được sử dụng như
một loại nhiên liệu bổ sung làm tăng nhiệt độ thêm 25%
1991

Luz quốc tế đã bị phá sản khi xây dựng nhà máy SEGS thứ mười
của nó. SEGS I đến IX vẫn hoạt động.
1992
Một hệ thống nguyên mẫu đĩa 7,5kW đi vào hoạt động, sử dụng
một bộ tập trung kéo dài màng tiên tiến, thông qua một liên doanh của
Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia và Cummins Power Generation.
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Đạo luật chính sách năng lượng của 1992 khôi phục lại 10% đầu tư
khấu trừ thuế cho nhà sản xuất dùng điện độc lập, sử dụng công nghệ
năng lượng mặt trời.
1994
Máy phát điện năng lượng mặt trời đầu tiên, sử dụng miễn phí
piston động cơ Stirling, được đưa vào với lưới tiện ích.
Tổng công ty công nghệ năng lượng mặt trời và tài nguyên tái tạo,
một công ty công cộng, được thành lập để tạo điều kiện phát triển
năng lượng mặt trời tại các trang web thử nghiệm Nevada.
Công ty 3M giới thiệu một bộ phim nhựa bạc mới cho các ứng
dụng năng lượng mặt trời.
2000
Hệ thống điện năng lượng mặt trời 12 kW ở Colorado xây dựng
trong nhà lớn nhất ở Mỹ được đăng ký tại Sáng kiến Roofs của Bộ
Năng lượng Hoa Kỳ.
2001

Home Depot đã bắt đầu bán các hệ thống năng lượng mặt trời ở tại
ba cửa hàng tại San Diego, California.
Máy bay năng lượng mặt trời của NASA, Helios, thiết lập một kỷ
lục độ cao thế giới mới : 96.863 feet (hơn 18 dặm).
2002

Sinh viên đến từ Đại học Colorado xây dựng một ngôi nhà năng
lượng mặt trời tiết kiệm năng lượng cho Solar Decathlon, một cuộc
thi được tài trợ bởi Bộ Năng lượng. Các đội sinh viên tích hợp tính
thẩm mỹ và tiện nghi hiện đại với sản xuất năng lượng tối đa và hiệu
quả tối ưu. Những ngôi nhà được chuyển đến National Mall ở
Washington, nơi mà các nhóm học sinh thi giải nhất tổng thể
2007

Technische Universitat Darmstadt giành chiến thắng trong 2007
Solar Decathlo. Các đội giành chiến thắng trong cuộc thi kiến trúc,
chiếu sáng, và cuộc thi về kỹ thuật.

3. Thực trạng sử dụng nguồn năng lƣợng tái tạo ( năng lƣợng sạch ) ở Việt Nam
Với điều kiện thiên nhiên và thổ nhưỡng, Việt Nam được đánh giá là một trong
các quốc gia có nguồn năng lượng hết sức dồi dào và phong phú. Năng lượng cơ bản ở
đây là những dạng năng lượng có sẵn ngoài tự nhiên : Than đá, dầu thô, khí tự nhiên,
thủy năng… Dựa trên các nguồn năng lượng này, Việt Nam đã xây dựng lên hệ thống
các nhà máy: thủy điện, nhiệt điện… và bước đầu xây dựng nhà máy điện nguyên tử
để tạo ra nguồn điện phục vụ cho sản xuất, sinh hoạt của con người.
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Tuy nhiên, thực tế cho thấy mặc dù đã và đang khai thác triệt để các nguồn
năng lượng: thủy năng, năng lượng hóa thạch… nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu
cầu về điện đang ngày càng tăng và nếu tiếp tục nhịp độ khai thác như hiện nay thì các
nguồn năng lượng này sẽ ngày càng trở nên cạn kiệt. Còn với năng lượng hạt nhân vì
nước ta mới bắt đầu xây dựng nên hiệu quả đem lại của nguồn năng lượng này chưa
cao và tiềm ẩn nhiều nguy cơ lớn do phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện kinh tế và kỹ
thuật cao. Như vậy, nếu không đáp ứng được nhu cầu về điện sẽ dẫn tới không đảm
bảo kinh tế phát triển một cách bền vững.
Một vấn đề nổi cộm nữa đó là khi khai thác các nguồn năng lượng này đặc biệt
là khi đốt những nhiên liệu hóa thạch sẽ sinh ra tro xỉ, khí dioxyd carbon, khí dioxyd
sulfur, khí mono oxyd nitro và các chất thải. Tất cả đều được thải trực tiếp vào trong
không khí gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ khí quyển, dẫn tới
biến đổi thời tiết và ô nhiễm môi trường, làm hại đến bộ hô hấp của sinh vật, làm tổn

cháy thảo vật… do vậy chúng ta cần phải hướng tới sử dụng nguồn năng lượng tái tạo
( năng lượng sạch ) như năng lượng mặt trời, sức gió… để tạo ra nguồn điện.
Việt Nam được đánh giá là một trong các quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng
lượng tái tạo phân bổ rộng khắp trên toàn quốc. Ước tính tiềm năng sinh khối từ các
sản phẩm hay chất thải nông nghiệp có sản lượng khoảng 10 triệu tấn dầu/năm. Khí
sinh học xấp xỉ 10 tỉ m
3
/ năm có thể thu được từ rác, phân động vật và chất thải nông
nghiệp. Thuỷ điện nhỏ (<30MW) hơn 4,000MW. Nguồn năng lượng mặt trời phong
phú với bức xạ nắng trung bình là 5kWh/m
2
/ngày. Bên cạnh đó, với vị trí địa lý hơn
3,400km đường bờ biển giúp Việt Nam có tiềm năng rất lớn về năng lượng gió ước
tính khoảng 500-1000 kWh/m
2
/năm. Những nguồn năng lượng tái tạo này được sử
dụng sẽ đáp ứng được nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh. Khả năng khai thác
cụ thể được liệt kê trong bảng 1.2 :




10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Bảng 1.2
Loại nguồn
Tiềm năng

Khả năng khai thác SX
điện(MW)
Khu vực/đối tƣợng sử
dụng
1.Thủy điện
nhỏ
> 4.000 MW
+ Kỹ thuật: >4.000
+ Kinh tế: 2.200
+ Để khai thác hơn cần hỗ
trợ giá.
Khu vực miền núi: Đông
Bắc; Tây Bắc, Bắc Trung
bộ; Nam Trung Bộ; Tây
Nguyên. Cho nối lưới và
lưới điện mini
2. Gió
>30.000 MW
+ Kinh tế: không kinh tế ở
giá bán hiện nay. Cần hỗ
trợ
+ Miền trung, tây nguyên,
các đảo
+ Các khu vực ven biển và
nơi có gió địa hình khác
3. Mặt trời
4-5 kWh/m
2
/ngày
> 15 MW cho khu vực

ngoài lưới.
+ Để phát triển cần hỗ trợ.
+ Nhiệt mặt trời: Tất cả các
khu vực dân cư
+ Điện mặt trời: Khu vực
dân cư ngoài lưới
4. Sinh khối


Cho hộ gia đình, tiểu thủ
công nghiệp các tỉnh
+Gỗ củi
600-700 MW

+Phụ phẩm
nông nghiệp
+ Trấu: 197 - 225
+ Bã mía: 221 - 276
Trấu: Khu vực ĐB sông Mê
Kông
Bã mía: Khu vực chế biến
đường
5. Sinh học
+Khí sinh
học
> 570 triệu m
3

58
+ Hộ gia đình nông thôn

+ Trang trại, khu vực chế
biến
+Nhiên liệu
sinh học
Chưa xác định
Chưa xác định
+ Giao thông vận tải
+ Sản xuất điện
6. Địa nhiệt
< 400 MW
+ Không kinh tế với giá
điện hiện nay. Cần hỗ trợ
Khu vực miền Trung, Tây
Bắc
7.Thủy triều
> 100 MW
Chưa xác định
Các tỉnh duyên hải
8. Rác thải
sinh hoạt
350 MW
222
Các khu đô thị

Trong luận văn này nguồn năng lượng tái tạo mà tác giả hướng tới là năng
lượng mặt trời. NLMT ở Việt Nam có tiềm năng to lớn về khai thác và ứng dụng. Việt
Nam có lợi thế là nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm
trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới. Theo giáo sư, tiến sĩ khoa học Nguyễn Tiến
Khiêm, nguyên Viện trưởng Viện Cơ học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, trong
11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi
nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay
Ứng dụng NLMT ở Việt Nam hiện cũng rất phong phú với đa dạng sản phẩm
như: Máy nước nóng, điện mặt trời, đèn, phát điện Với tổng số giờ nắng cao lên
đến 2.000-2.500 giờ/năm, tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm vào khoảng 4-
5kWh/m2/ngày theo hướng tăng dần về phía Nam. Hiện nay, việc khai thác NLMT
cho đun nước nóng là khả thi nhất về mặt kinh tế, có thể áp dụng ngay đối với các cơ
sở dịch vụ, các cơ quan hoặc các hộ gia đình. Mặt khác những khu vực miền nùi, vùng
sâu, vùng xa hay hải đảo có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới
đến được thì giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời là rất tối ưu.
Như vậy, ứng dụng NLMT ở Việt Nam như một nguồn năng lượng tại chỗ để
thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện hiện
nay.

12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Kết luận chƣơng 1
Trong chương 1: Tổng quan về thực trạng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo ( năng
lượng sạch ) ở việt nam, tác giả đã trình bày và phân tích các vấn đề :
- Khái niệm năng lượng tái tạo
- Lịch sử phát triển các nguồn năng lượng tái tạo
- Thực trạng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo ( năng lượng sạch ) ở Việt Nam
Trong các vấn đề trên tác giả chú trọng vào phân tích thực trạng sử dụng nguồn
năng lượng tái tạo (năng lượng sạch) nói chung ở Việt Nam và phân tích về nguồn
năng lượng mặt trời, lịch sử, tiềm năng khai thác, ứng dụng của năng lượng mặt trời
trong đời sống, sản xuất ở Việt Nam nói riêng. Từ đó, đưa ra giải pháp tối ưu để có thể
sử dụng năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng đáp ứng yêu
cầu phát triển kinh tế bền vững.

13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu











CHƢƠNG 2
NGHIÊN CỨU CÁC BỘ NGHỊCH LƢU












14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Các bộ biến đổi được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điều khiển
động cơ, các bộ lưu điện (UPS), các hệ thống nghịch lưu năng lượng mặt trời Chức
năng chính của các bộ nghịch lưu là biến đổi năng lượng DC thành năng lượng AC sử
dụng các linh kiện điện tử công suất như IGBT hay MOSFET. Thông thường, các hệ
thống nghịch lưu được thực hiện bởi các phần tử tương tự. Tuy nhiên, với sự phát triển
của các bộ vi xử lý số, ngày càng có nhiều các bộ điều khiển chất lượng cao và có giá
thành thấp tham gia vào thị trường. Cùng thời điểm đó, ngày càng có nhiều các hệ
thống nghịch lưu có xu hướng sử dụng các bộ vi điều khiển để thực hiện các bộ điều
khiển số không những làm đơn giản cấu trúc điều khiển mà còn nâng cao chất lượng
đầu ra của các bộ nghịch lưu.
Có hai hệ thống nghịch lưu khác nhau. Loại thứ nhất là nghịch lưu nguồn áp,
chẳng hạn như các hệ thống UPS. Loại thứ hai là nghịch lưu nguồn dòng với đầu ra là
dòng xoay chiều với một hệ số công suất cho trước. Các bộ nghịch lưu điều khiển
động cơ và nghịch lưu trong hệ thống năng lượng mặt trời là các loại nghịch lưu dòng.
Cho đến thời điểm hiện tại thì đã có nhiều các phương pháp điều khiển nghịch
lưu nguồn dòng. Trong luận văn này mô tả nghịch lưu cầu một pha sử dụng 4 IGBT.
2.1. Bộ biến đổi PV
2.1.1. Bộ nghịch lƣu PV với bộ biến đổi DC-DC cách ly
Việc cách ly thông thường được thực hiện nhờ sử dụng một biến áp. Biến áp
này có thể được đặt ở phía lưới (có tần số thấp) như hình 1.1a hoặc ở phía có tần số
cao của bộ biến đổi DC-DC như trên hình 2.1b. Sử dụng biến áp tần số cao làm giảm
kích thước chung của bộ biến đổi nhưng việc thiết kế máy biến áp đòi hỏi yêu cầu cao
hơn để giảm tổn thất [ 10 ].

15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu





( a )



( b )
Hình 2.1. Bộ biến đổi PV được dặt ở phía tần số thấp (a) và đặt ở phía tần số cao (b)
Trong đó :

Nguồn pin mặt trời

Bộ chuyển đổi một chiều – một chiều

Bộ chuyển đổi một chiều - xoay chiều

Bộ chuyển đổi xoay chiều – một chiều

Biến áp

Lưới

Hình 2.2 Trình bày một bộ nghịch lưu với biến áp tần số cao sử dụng một bộ
biến đổi push-pull boost. Bộ nghịch lưu DC-AC có giá thành thấp với các chuyển
mạch làm việc ở tần số của lưới. Các giải pháp mới có trên thị trường hiện nay sử
dụng các bộ nghịch lưu IGBT với tần số chuyển mạch 10 - 20 kHz có chất lượng cao
hơn.
Solar
cell

Grid
DC

DC
DC

AC
Solar
cell

Grid
AC

DC
DC

AC
DC

AC
16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 2.2. Bộ nghịch lưu PV với biến áp cao tần ở phía bộ biến đổi một chiều
Các giải pháp khác cho các bộ biến đổi DC-DC cách ly bao gồm: bộ biến đổi
cách ly cầu, bộ biến đổi push-pull điện cảm đơn và bộ biến đổi push-pull điện cảm kép
như trên hình 2.3.

Biến
áp tần
số cao
Nghịch
lưu cao
tần
Bộ lọc
Nghịch lưu
tần số thấp
Bộ
lọc
Chỉnh lưu
Cao tần
Pin
mặt
trời
~
17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

( a )






( b )




( c )
Hình 2.3 . Các loại biến đổi một chiều - một chiều. (a) kiểu cầu, (b) kiểu push-pull
điện cảm đơn, (c) kiểu push-pull điện cảm kép
Bộ biến đổi cầu thường được sử dụng khi công suất yêu cầu lớn hơn 750W.
Khoảng tần số chuyển mạch của bộ biến đổi cầu nằm trong khoảng từ 20kHz đến
100kHz nhằm làm giảm kích thước của mạch từ. Ưu điểm của bộ chuyển đổi cầu là từ
hòa mạch từ tốt (lõi thép được từ hóa hai cực), giảm dòng từ hóa một chiều của máy
d
f
h
h
f
+
-
+

-
d
f
h
h
f
+
-
+
-
d
f
h
h
f
+
-
+
-
L
L
L
2
L
1
18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

biến áp. Nhược điểm của bộ biến đổi cầu là mức độ làm việc yêu cầu cao hơn và có tỷ
số biến đổi lớn để đảm bảo nâng điện áp DC tới mức điện áp lưới.
Bộ biến đổi push-pull điện cảm đơn có chức năng nâng áp ở cả điện cảm và
biến áp nên có thể làm giảm tỷ số biến đổi của máy biến áp. Do đó bộ biến đổi loại này
có hiệu suất cao hơn và dòng điện đầu vào bằng phẳng hơn. Nhược điểm của bộ biến
đổi loại này là yêu cầu phải có các chuyển mạch với điện áp làm việc cao hơn và biến
áp có nhiều cuộn dây và đầu nối hơn nên có thể gây ra một số vấn đề về chế tạo và
mức độ tin cậy của hệ thống.
Các nhược điểm trên có thể được khắc phục nếu sử dụng bộ biến đổi push-pull
điện cảm kép. Trên thực tế thì cấu hình này tương tự như cấu hình hai bộ biến đổi
nâng áp luân phiên (interleave) làm giảm mức độ nhấp nhô của dòng điện đầu vào.
Cấu trúc của máy biến áp cũng đơn giản hơn vì không có các điểm đấu nối giữa các
cuộn dây. Nhược điểm của cấu trúc này là cần phải có thêm một điện cảm thứ hai.
2.1.2. Bộ nghịch lƣu PV với bộ biến đổi DC-DC không cách ly
Bộ nghịch lưu loại này được sử dụng trong trường hợp không yêu cầu cách ly
với lưới.
2.1.3. Bộ nghịch lƣu PV không có bộ biến đổi DC-DC
Sơ đồ khối của cấu trúc bộ nghịch lưu không có bộ biến đổi DC-DC sử dụng
biến áp làm việc ở tần số lưới được thể hiện trên hình 2.4. Ở dải công suất lớn hơn thì
cần phải có các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên sử dụng các thyristor [ 11 ]






Hình 2.4 . Bộ nghịch lưu PV không có bộ biến đổi một chiều
Pin
mặt
trời

Bộ
lọc
~
~
19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


2.1.4.Bộ nghịch lƣu PV không có bộ biến đổi DC-DC và không cách ly
Các bộ nghịch lưu loại này được sử dụng khi có một số lượng lớn các dàn pin
năng lượng mặt trời mắc nối tiếp với điện áp luôn luôn vượt quá cả điện áp đỉnh của
lưới.
Ngoài ra còn có một kiểu nghịch lưu không có nâng áp và không cách ly nữa sử
dụng cấu trúc nghịch lưu đa bậc.

Hình 2.5 . Bộ nghịch lưu cầu một pha
2.2. Các phƣơng pháp điều chế
Có nhiều phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu cầu 1 pha để có
được dòng điện xoay chiều đầu ra và được chia ra thành 2 loại chính:
• Phương pháp điều chế đơn cực.
• Phương pháp điều chế lưỡng cực.
Luận văn này đề cập tới phương pháp điều chế đơn cực
Phương pháp điều chế đơn cực có nghĩa là điện áp phía xoay chiều của bộ
nghịch lưu chỉ có điện áp dương hoặc âm. Ví dụ về phương pháp điều chế đơn cực
được chỉ ra như trên hình 2.6

Biến
áp tần
số
cao
Nghịch
lưu cao
tần
bộ
lọc
Nghịch lưu
tần số thấp
Bộ lọc
Chỉnh lưu
Cao tần
Pin
mặt
trời
~

20

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 2.6. Nguyên lý điều chế đơn cực
Trên hình 2.6 ta có thể thấy rằng ở nửa chu kỳ dương của sóng sin đầu ra của
bộ nghịch lưu thay đổi từ
dc
V
đến 0, trong khi ở nửa chu kỳ âm là từ
dc
V
đến 0. Vì
vậy, nếu ở nửa chu kỳ dương chu kỳ nhiệm vụ của
1
Q
là
d
thì ta có thể có được mối
quan hệ giữa điện áp ra
o
v
và điện áp của Bus DC
bus
V
là:
( 1.1 )
2.3. Bộ biến đổi flyback luân phiên

Bộ biến đổi flyback luân phiên trên hình 2.7 có hai bộ biến đổi flyback tham gia
vào quá trình biến đổi năng lượng từ nguồn tới tải. Các nguyên tắc hoạt động cơ bản
của bộ biến đổi flyback luân phiên là [ 12 ]:
• Hai bộ chuyển mạch chính (
1
Q
và
2
Q
) không bao giờ được phép dẫn trong
cùng một thời điểm.
• Một bộ chuyển mạch chính được cho phép dẫn ngay khi biến áp chính (
1
T

hoặc
2
T
) kết thúc quá trình khử từ và quá trình này xảy ra trong suốt giai đoạn quá
trình ngưng dẫn của chuyển mạch còn lại.
Như vậy, hai bộ biến đổi Flyback làm việc trong chế độ dòng tải gián đoạn.
21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 2.7 : Bộ biến đổi flyback luân phiên đơn giản hóa

+

-

T
1
T
2
D
1

D
2

V
out
C
o

R
o

Q
1

Q
2

PWM 1
PWM 2
22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2.8. Dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp và thứ cấp của hai bộ biến đổi Flyback

i
p1
i
s1

i
p2
i
s2
t
1
t
2
t
5
t
4
t
3
t
6
t

t

t

t

23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


2.3.1 : Step 1:

01
tt


Hình 2.9. Dòng điện trong bộ biến đổi tương ứng với bước 1
Như minh họa trên hình 2.9, chuyển mạch chính
1
Q
được cho phép dẫn và
2
Q

được cho ngưng dẫn. Dòng điện
1pv
i
ở phía sơ cấp của biến áp
1
T
chảy từ nguồn qua
chuyển mạch
1
Q
rồi trở lại nguồn. Khi đó, năng lượng được tích trữ trong biến áp
chính
1
T
. Cùng thời điểm đó, năng lượng cung cấp cho tải được lấy từ tụ đầu ra
0
C
.

2.3.2: Step 2:
12
tt


Hình 2.10 : Dòng điện trong bộ biến đổi tương ứng với bước 2
24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Như minh họa trên hình 2.10, cả hai chuyển mạch chính
1
Q
và
2
Q
đều ngưng
dẫn. Dòng điện
1s
i
ở phía thứ cấp của biến áp
1
T
chảy qua diode
1
D
và tụ đầu ra
0
C

để
cung cấp cho tải. Khi đó, năng lượng tích trữ trong biến áp chính
1
T
được giải phóng.
Step 3:
23
tt


Hình 2.11: Dòng điện trong bộ biến đổi tương ứng với bước 3
Như minh họa trên hình 2.11, chuyển mạch chính
2
Q
được cho phép dẫn và
1
Q

được cho ngưng dẫn. Dòng điện
2pv
i
ở phía sơ cấp của biến áp
2
T
chảy từ nguồn qua
chuyển mạch
2
Q
rồi trở lại nguồn. Khi đó, năng lượng được tích trữ trong biến áp
chính

2
T
. Cùng thời điểm đó, năng lượng cung cấp cho tải được lấy từ tụ đầu ra
0
C
.
Step 4:
34
tt


25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 2.12: Dòng điện trong bộ biến đổi tương ứng với bước 4
Như minh họa trên hình 2.12, cả hai chuyển mạch chính
1
Q
và
2
Q
đều ngưng
dẫn. Dòng điện
2s
i
ở phía thứ cấp của biến áp
2
T

chảy qua diode
2
D
và tụ đầu ra
0
C
để
cung cấp cho tải. Khi đó, năng lượng tích trữ trong biến áp chính
2
T
được giải phóng.