Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-AC MỘT PHA 5 BẬC
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: NGUYỄN NHÂN BỔN
SVTH: TRỊNH VĂN THẮNG
MSSV: 15142107
SVTH: LÊ NGUYỄN TƯỜNG AN
MSSV: 15142001

SKL 0 0 5 9 1 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-AC MỘT PHA 5 BẬC SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
SVTH :

TRỊNH VĂN THẮNG

15142107

LÊ NGUYỄN TRƯỜNG AN

15142001

Khóa :

2015

Ngành :

ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

GVHD :

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019




CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
---***--Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 7 năm 2019

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên sinh viên:

Ngành :

Trịnh Văn Thắng
Lê Nguyễn Trường An
Điện – Điện Tử

15142107
15142001

Lớp 15142CL3

Họ và tên Giáo viên phản biện:.....................................................................................
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm
......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không
.......................................................................................................................................
5. Đánh giá loại
.......................................................................................................................................
6. Điểm.........................................( Bằng chữ:..........................................................)

Tp. Hồ Chí Minh, ngày.........tháng........năm 2019
Giáo viên phản biện
(Kí và ghi rõ họ tên

iii


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, chúng em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
Nguyễn Nhân Bổn đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức chuyên môn
và kinh nghiệm để em thực hiện Đồ án này.
Chúng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả Thầy, Cô Khoa Điện –
Điện Tử đã tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền đạt kiến thức, cung cấp tài liệu, giúp
đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt Đồ án này.
Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, đã động viên, giúp đỡ và
tạo điều kiện cho chúng em có thời gian để hồn thành Đồ án này.
Xin chân thành cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019
Sinh viên thực hiện

Trịnh Vắn Thắng & Lê Nguyễn Trường An

iv


TÓM TẮT
Đồ án “Bộ nghịch lưu một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trời” đã hoàn thành các
nhiệm vụ nghiên cứu như sau:
 Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời
 Tìm hiểu và sử dụng ứng dụng Matlap để mơ phỏng và điều khiển

 Phân tích các cấu trúc nghịch lưu 5 bậc. Đánh giá ưu nhược điểm của chúng
và chọn phương pháp thực hiện hợp lý.
Kết quả nghiên cứu:
 Sử dụng ngơn ngữ lập trình là Matlab mơ phỏng được dạng sóng điện áp ở
ngõ ra tải.
 Phù hợp để điều khiển các tải vừa và nhẹ trong cơng nghiệp, chi phí nhỏ nhưng
điều khiển được các tải nhẹ với độ ổn định cao có sử dụng năng lượng mặt
trời.
 Mạch phần cứng hoàn chỉnh

v


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA..........................................................................................TRANG
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP............................................................................i
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN...........................................ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.............................................iii
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................iv
TÓM TẮT...................................................................................................................v
MỤC LỤC.................................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ......................................................................viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU.......................................................................................ix
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài. .............................................................................................1
1.2. Mục đích và mục tiêu của đề tài. ......................................................................1
1.3. Điểm mới của đề tài ..........................................................................................2
1.4. Ý nghĩa thực tiễn...............................................................................................2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................3
2.1. Giới thiệu tổng quát ..........................................................................................3
2.1.1. Giới thiệu hệ thống pin năng lượng mặt trời ..............................................3
2.1.2. Pin mặt trời .................................................................................................5
2.1.2.1. Khái niệm về pin mặt trời. ...................................................................5
2.1.2.2. Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời. ...................................................5
2.1.2.3 Nguyên lý hoạt động tấm pin năng lượng mặt trời. ..............................6
2.1.3. Bộ tích trữ điện (Acquy). ...........................................................................6
2.1.3.1. Khái niệm về acquy. ............................................................................6
2.1.3.2. Cấu tạo của acquy. ...............................................................................7

vi


2.1.3.3. Nguyên lý hoạt động của acquy. ..........................................................8
2.2 Bộ nghịch lưu áp ................................................................................................8
2.2.1. Khái niệm về bộ nghịch lưu áp. .................................................................8
2.2.2. Phân loại bộ nghịch lưu áp. ........................................................................9
2.3. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc. ...................................9
2.3.1. Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter). ..................10
2.3.2. Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter). .......12
2.2.4. Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter). ...........................................13
2.2.5. Nhận xét: ..................................................................................................15
2.3. Cấu trúc của bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng Cascade. .....................................15
2.3.1. Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha. .....................................................................15
2.3.2. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng ghép tầng (cascade). ................................17
2.4. Tìm hiểu về card DSP TMS320F28335. ........................................................19
2.4.1. Giới thiệu về Card DSP TMS320F28335. ...............................................19
2.4.2. Cấu trúc phần cứng...................................................................................23
2.4.3. Các khối module cơ bản. ..........................................................................26

2.4.3.1. Điều khiển bộ nhớ truy cập trực tiếp (DMA). ...................................26
2.5. Tóm tắt – tổng kết chương 2. ..........................................................................27
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH PHẦN CỨNG ..........................28
3.1. Mạch nguồn +15V -5V ...................................................................................28
3.1.1. Biến áp nguồn ...........................................................................................28
3.1.2. Mạch nguồn ổn áp DC..............................................................................29
3.2.

Mạch kích ....................................................................................................31

3.3.

Mạch cơng suất IGBT..................................................................................34

3.4. Mạch tăng áp DC/DC .....................................................................................37
3.5. Bộ điều khiển năng lượng mặt trời .................................................................38
3.6. Sơ đồ khối .......................................................................................................39

vi


3.7. Mơ hình tồn hệ thống ....................................................................................40
CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM SỬ DỤNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .....41
4.1.

Phần mềm sử dụng ......................................................................................41

4.2.

Hướng dẫn sử dụng phần mềm ....................................................................41

4.2.2

Các khối chức năng hỗ trợ Card F28335 ..............................................45

4.2.3. Viết chương trình tes Card F28335 ..........................................................48
4.3.

Chương trình điều khiển nghịc lửu 1 pha 5 bậc nhúng cho Card DSP .......52

4.3.1.

Chương trình điều chế xung trên Simulink ..........................................52

4.3.2

Cách lấy các khối trong chương trình trên Silmulink ...........................52

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI THỰC TẾ VỚI TẢI
ĐÈN VÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT THẤP .............................................................54
5.1.

Kết quả mô phỏng trên Matlap ....................................................................54

5.1.1

Các tham số mơ phỏng..........................................................................54

5.1.2

Mơ hình mơ phỏng trên Matlap ............................................................54

5.1.3.

Kết quả mô phỏng .................................................................................56

5.1.3.1. Không tải ............................................................................................56
5.1.3.2 . Tải trở ..............................................................................................56
5.1.3.3. Tải RL ................................................................................................56
5.1.3.4. Tải RL ................................................................................................57
5.2.

Kết quả thực tế. ............................................................................................57

5.2.1

Không tải...............................................................................................57

5.2.2.

Tải đèn ..................................................................................................57

5.2.3. Tải động cơ ...............................................................................................59
5.3 Nhật xét ........................................................................................................59
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................60
6.1. Kết luận ...........................................................................................................60
6.2. Hướng phát triển ..........................................................................................60

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
DSP: Digital Signal Processor
BGT: Bipolar junction transistor
TI: Texas Instruments
PWM: Pulse Width Modulation
GPIO: General Purpose Input Output
ROM: Read-Only Memory
CPU: Central Processing Unit
UART: Universal Asynchronous Receiver / Transmitter
DMA: Direct memory access

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ
Hình 2.1: Hệ thống pin mặt trời đầy đủ
Hình 2.2: Hệ thống pin mặt trời hịa lưới
Hình 2.3: Hệ thống pin mặt trời độc lập
Hình 2.4: Cấu tạo bên trong tấm pin năng lượng mặt trời
Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời
Hình 2.6: Cấu tạo bên trong của Acquy thơng thường
Hình 2.7: Cấu trúc dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)
Hình 2.8 Cấu trúc dạng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)
Hình 2.9 Cấu trúc ghép tầng cascade 3 pha thơng thường
Hình 2.10 Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Hình 2.11 Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade
Hình 2.12 Biểu diễn 1 pha của cascade inverter 5 bậc
Hình 2.13 Dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc.

Hình 2.14: Ảnh thực tế bên ngồi của Chp TMS320F28335
Hình 2.15: Cấu tạo bên trong của Chip TMS320F28335
Hình 2.16: Card DSP TMS320F28335 tháo rời
Hình 2.17 : Hình ảnh thực tế của Card DSP TMS320F28335 khi gắn lên Kit C2000
Hình 2.18: Sơ đồ cấu trúc phần cứng của F28335
Hình 2.19: Sơ đồ phân chia vùng chức năng của F28335
Hình 2.20: Tổ chức vùng nhớ của F258335
Hình 2.21: Địa chỉ của các vùng nhớ trong F28335
Hình 3.1 Mạch nguyên lý biến áp nguồn cung cấp 3
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC ổn áp 7815 và 7905
Hình 3.3 Mạch nguồn sau khi lắp ráp thực tế
Hình 3.4 Mạch nguyên lý hoạt động cầu diode
Hình 3.5 Điện áp sau khi lọc

viii


Hình 3.6 Sơ đồ mạch xung kích 1 pha
Hình 3.7 Mỗi cặp khóa cơng suất đối nghịch trong mạch kích (có 4 cặp)
Hình 3.8 Dịng điện nạp và xả tụ
Hình 3.9 Datasheet IGBT
Hình 3.10 Mạch kích sau khi được thi cơng
Hình 3.11 Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất
Hình 3.12 Sơ đồ chân của IGBT
Bảng 3.13 Thơng số IGBT 25N120NTD
Hình 3.14 Dạng sóng điện áp ngõ ra của một pha trên mơ phỏng
Hình 3.15 Mạch cơng suất sau khi thi cơng
Hình 3.16 chế độ hoạt động của mạch boost
Hình 3.17 Hình ảnh thực tế mạch boost
Hình 3.18 Hình ảnh thực tế bộ sạc

Hình 3.19 Sơ đồ khối kết nối các khối
Hình 3.20 Hình ảnh thực tế mơ hình tồn bộ hệ thống
Hình 4.1 Giao diện Matlap 2017b
Hình 4.2 Vào mục Get Hardware Support Packages
Hình 4.3 Installed Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000
Processors
Hình 4.4 Installed TI Delfino F2833X
Hình 4.5 Installed TI controlSUITE, TI Code Composer Studio, TI C200Ware
Hình 4.6 Tạo Simulink mới
Hình 4.7 Chọn Library Browser
Hình 4.8 Thư viện hỗ trợ Card F28335
Hình 4.9 Tạo Simulink tes Card
Hình 4.10 Chọn Digital Output
Hình 4.11 Chọn Constant

viii


Hình 4.12 Mơ hình tes F28335
Hình 4.13 Thơng số GPIO Ouput
Hình 4.14 Cài đặt cấu hình Card F28335
Hình 4.15 Tes Led trên Card F28335
Hình 4.16 Chương trình điều khiển hồn chỉnh trên Simulink
Hình 5.1 Mơ hình mơ phỏng trên Matlap
Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý khối IGBT
Hình 5.3 Sơ đồ khối tải và thơng số cài đặt
Hình 5.4 Dạng sóng ngõ ra khơng tải
Hình 5.5 Dạng sóng ngõ ra tải trở
Hình 5.6 Dạng sóng ngõ ra tải RL (L=100H)
Hình 5.7 Dạng sóng ngõ ra tải RL (L=1000kH)

Hình 5.5 Dạng sóng ngõ ra khơng tải thực tế
Hình 5.6 Dạng sóng ngõ ra tải đèn thực tế
Hình 5.6 Dạng sóng ngõ ra tải động cơ thực tế

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 5.1 Thông số thực tế không tải
Bảng 5.2 Thông số thực tế tải đèn
Bảng 5.3 Thông số thực tế tải động cơ

ix


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]
Đặng Đình Thống (2008), Pin Mặt Trời Và Ứng Dụng, Nhà Xuất Bản Khoa
Học Kỹ Thuật,152 trang
[2]
Hồng Ngọc Văn (2010), Giáo trình Điện Tử Cơng Suất , trường Đại Học sư
Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh, 220 trang
[3]
PGS.TS. Trần Thu Hà và Đỗ Văn Thắng (2012), Giáo trình Điện Tử Cơ Bản
trường Đại Học sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh, 321 trang
[4]
Phạm Quốc Hải và Dương Văn Nghị, Giáo trình Phân Tích Và Giải Mạch
Điện Tử Công Suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 102 trang

Internet
[5]



[6]

www.dienkythuat.com

[7]



[8]



[9]



x


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài.
Điện tử công suất là ngành đang được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành
công nghiệp hiện tại. Các khối ngành kĩ thuật mà có những ứng dụng tiêu biểu như:
truyền động điện động cơ xoay chiều với điện áp cao, giao thông đường sắt, trong rất
nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau. Ngày nay, với việc sử dụng

nhiều hơn các mạch điện tử làm cho các phần tử bán dẫn công suất ngày một được
ưa chuộng hơn. Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến
các bộ nghịch lưu điện áp, nghịch lưu dòng điện. Các bộ biến đổi này hay được sử
dụng trong việc điều khiển động cơ điển hình nhất là động cơ một pha và ba pha.
Đa phần hiện nay đều sử dụng các mạch với công suất lớn. Để đáp ứng với các
mạch công suất lớn đó thì cần phải nâng cao giá trị điện áp và dòng điện. Tuy nhiên,
khả năng chịu đựng được điện áp và dòng điện của các thiết bị điện tử cơng suất là
có giới hạn. Ngày nay, người ta hay dùng giải pháp là mắc song song để tạo dòng
điện cao và mắc nối tiếp để tăng điện áp. Giải pháp mắc nối tiếp cho ra đời các cấu
trúc mạch nghịch lưu áp đa bậc thay cho nghịch lưu áp hai bậc truyền thống. Nghịch
lưu áp hai bậc truyền thống chỉ có thể tạo ra điện áp thấp. Điện áp đó khơng đủ để
điều khiển được tải với cơng suất lớn chẳng hạn như động cơ. Mạch nghịch lưu áp đa
bậc cascade có nhiều ưu điểm hơn nghịch lưu áp hai bậc là cơng suất cao hơn, dịng
điện ở ngõ ra tốt hơn, chất lượng điện áp tốt hơn hẳn. Tuy nhiên, nó có nhược điểm
là sử dụng nhiều linh kiện điện tử hơn do đó số mạch điện tử cũng tăng lên, giải thuật
điều khiển phức tạp hơn. Bởi vậy mạch nghịch lưu áp đa bậc có giá thành cao hơn.
Tuy nhiên, đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc đã được nghiên cứu rất nhiều. Nhưng
ở đây người thực hiện đã kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm điều
khiển bằng DSP F28335 của hãng Texas Instrument trên thuật toán Cascade, chạy
thực nghiệm tải RL đây chính là điểm mới của đề tài.
Chính vì vậy, nhóm chúng em đã chọn đề tài “Bộ nghịch lưu 5 bậc 1 pha sử
dụng năng lượng mặt trời” để tìm hiểu phương pháp nâng cao hiệu quả bộ nghịch lưu
5 bậc cũng như ứng dụng thực tiễn của nó trong đời sống.
1.2. Mục đích và mục tiêu của đề tài.
Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời
Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết về nghịch lưu áp đa bậc.
Tìm hiểu về các lệnh sử dụng trong Matlab.
1

Thi cơng mạch nguồn cho mạch kích, mạch kích, mạch cơng suất.
Mơ phỏng Matlab bộ nghịch lưu với mơ hình thực nghiệm sử dụng card DSP
TMS320F28335. Thiết kế và thi cơng mơ hình hồn chỉnh.
Chạy thực nghiệm với tải đèn, tải động cơ 1 pha và so sánh với kết quả mô phỏng
chạy trên Matlab.
1.3. Điểm mới của đề tài
Kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm điều khiển bằng vi xử lý
TMS320F28335 trên thuật toán cascade, chạy thực nghiệm tải đèn, tải động cơ.
Chứng minh việc cải thiện chất lượng sóng khi nghịch lưu 5 bậc thơng qua mô
phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm.
Thu thập dữ liệu trên máy tính, giám sát chất lượng sóng thơng qua máy đo hiển
thị sóng Oscilloscope.
1.4. Ý nghĩa thực tiễn
Để đáp ứng cho nhu cầu thực hành trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay, cũng
như nhu cầu về năng lượng cao của các thiết bị công nghiệp. Các trường đại học, cao
đẳng, các phịng thí nghiệm phải trang bị rất nhiều các mơ hình thí nghiệm hiện đại,
đắt tiền. Đối với một số trường, nguồn kinh phí để đáp ứng cho nhu cầu này lại rất
hạn chế. Điểm chung của các mơ hình này có thể ứng dụng nhúng các thuật toán để
điều khiển. Trong lĩnh vực tự động hóa, có rất nhiều thuật tốn để điều khiển từ cổ
điển đến hiện đại nhưng ở đây đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý với tốc độ rất nhanh.
Công cụ để thực hiện triệt để vấn đề này tại thời điểm hiện nay được chọn dùng card
DSP TMS320F28335 kết hợp với ngơn ngữ lập trình là Matlab.
Việc kết hợp giữa TMS320F28335 và Matlab sẽ tạo ra bộ điều khiển linh hoạt
sử dụng trong việc điều khiển các tải với công suất cao, giúp nắm rõ hơn các giải
thuật điều khiển trong lĩnh vực tự động hóa mà khơng cần thiết phải thí nghiệm trên
nhiều đối tượng.
Các kết quả mơ phỏng và thực tiễn trên mơ hình bộ nghịch lưu áp một pha
năm bậc cho thấy dạng sóng ra tương ứng gần giống như mô phỏng bằng phần mềm
Matlab-Simulink và điều khiển động cơ chạy êm, dạng sóng ít nhiễu, độ mịn sóng sin
cao, ứng dụng trong thực tiễn nghiên cứu cho các sinh viên thực hành và nghiên cứu.

2


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu tổng quát
2.1.1. Giới thiệu hệ thống pin năng lượng mặt trời

Hình 2.1: Hệ thống pin mặt trời đầy đủ
Hình trên mơ tả đầy đủ nhất về hệ thống pin năng lượng mặt trời. Hệ thống đó
có thể cung cấp trực tiếp cho tải một chiều (DC) và cũng có thể qua bộ nghịch lưu
(inverter) biến đổi ra điện áp xoay chiều để điều khiển tải xoay chiều (AC).
Ngày nay đa phần sử dụng tải AC xoay chiều thì bộ nghịch lưu ngày càng
được sử dụng nhiều hơn vì nó ít tiêu tốn năng lượng điện, hịa hợp với mơi trường.
Có 2 loại: sử dụng hệ pin mặt trời hòa lưới để cung cấp cho các nhà máy, xí
nghiệp và sử dụng hệ pin mặt trời độc lập để cung cấp cho nhu cầu của người sử
dụng.

3


Hình 2.2: Hệ thống pin mặt trời hịa lưới

Hình trên mơ tả hệ thống pin mặt trời hịa lưới. Hệ thống này qua bộ inverter
hòa lưới truyền điện vào lưới điện để sử dụng.

Hình 2.3: Hệ thống pin mặt trời độc lập
Hình trên mơ tả hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập. Hệ thống này khơng
hịa vơ lưới điện truyền tải mà chỉ sử dụng để điều khiển các tải nhẹ trong gia đình
hiện nay. Ngày nay, hệ thống này được sử dụng khá phổ biến để điều khiển các tải

xoay chiều 3 pha phù hợp với nhu cầu của người sử dụng.
4


2.1.2. Pin mặt trời
2.1.2.1. Khái niệm về pin mặt trời.
Định nghĩa: Pin mặt trời hay còn được gọi là pin quang điện bao gồm nhiều tế
bào quang điện – phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến
ánh sang, phổ biến đó là diode quang.
Đặc tuyến ngõ ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào các yếu
tố như: cường độ bức xạ ánh sáng mặt trời, điện áp ngõ ra,…
2.1.2.2. Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.
- Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n biến đổi trực
tiếp quang năng thành điện năng nhờ vào hiệu ứng quang điện bên trong tấm pin.
- Vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh
thể. Pin Mặt trời từ tinh thể silic, còn gọi là các hạt mang điện gồm hạt electron và
các lỗ trống.

Hình 2.4: Cấu tạo bên trong tấm pin năng lượng mặt trời

Hình trên mơ tả cấu tạo bên trong tấm pin năng lượng mặt trời. Nó được cấu
tạo bởi điện cực trong suốt tiếp nhận từ nguồn ánh sáng mặt trời hang ngày, lớp tiếp
xúc và điện cực (-).

5


2.1.2.3 Nguyên lý hoạt động tấm pin năng lượng mặt trời.
Nguyên lý hoạt động của tấm pin được minh họa trong hình dưới đây:

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời
Pin mặt trời hoạt động dựa vào hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là
khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất.
2.1.3. Bộ tích trữ điện (Acquy).
2.1.3.1. Khái niệm về acquy.
Acquy là một nguồn điện hóa học có thể biến đổi hóa năng thành điện năng và
ngược lại.
Trong acquy có thể xảy ra 2 q trình phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của acquy
đó là q trình phóng điện và q trình nạp điện. Q trình biến đổi hóa năng thành
điện năng được gọi là q trình phóng điện và ngược lại q trình biến đổi điện năng
thành hóa năng là q trình nạp điện.
Acquy sử dụng nguồn điện một chiều thường là số chẵn
 Ứng dụng của acquy:
- Dùng để ổn định điện áp từ đó có thể sử dụng để cấp cho tải.
- Có thể sử dụng trong các phương tiện giao thơng như xe máy, ô tô,…

6


2.1.3.2. Cấu tạo của acquy.
Acquy gồm vỏ bình, bên trong có các ngăn riêng. Số ngăn tùy thuộc vào điện
áp định mức ghi trên bình acquy. Với điện áp aquy được sử dụng trong đồ án này là
12 V thì được chia làm 6 ngăn (2,1V/1 Cell).
Vỏ bình chế tạo từ các loại nhựa ebonit, axphantopec.
Phía trong vỏ chia thành những vách ngăn riêng biệt, ở đáy mỗi ngăn có 4 sống
đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống
Các ngăn ắc quy được nối tiếp với nhau bằng cầu nối.
Quan trọng nhất vẫn là 2 Điện cực +, - từ Cell đầu và Cell cuối acquy.
Cấu tạo của Ắc-quy gồm hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân,
có màng ngăn cách.

Hình 2.6: Cấu tạo bên trong của Acquy thơng thường
Hình trên mơ tả cấu tạo bên trong của acquy. Nó gồm các bộ phận bảo vệ và
các bản cực để hình thành được điện thế cấp cho các cọc bình, từ đó cấp cho tải bên
ngồi.

7


2.1.3.3. Nguyên lý hoạt động của acquy.
Trong acquy xảy ra hiện tượng phóng điện. Hiện tượng phóng điện là năng
lượng điện được phát ra khi axit sunphuric trong dung dịch điện phân phản ứng với
chì và trở thành nước. Khi đó thì axit sunphuric sẽ kết hợp với bản cực âm và bản cực
dương làm cho chúng chuyển thành sunfat chì.
Ở cực dương xảy ra phương trình hóa học như sau:
2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 +2H2O + O2.
Ở cực âm xảy ra phương trình hóa học như sau:
Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.
Phản ứng gộp:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2H2SO4 + 2H2O.
Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên giữa hai điện
cực có hiệu điện thế, nếu đối với mạch ngồi có thể sinh ra dòng điện.
2.2 Bộ nghịch lưu áp
2.2.1. Khái niệm về bộ nghịch lưu áp.
Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp nguồn áp
và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp.
Bộ nghịch lưu áp có thể cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra,
nguồn điện áp một chiều có thể là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều được chỉnh
lưu từ điện áp xoay chiều có lọc phẳng,… Các tải xoay chiều thường mang tính chất
cảm kháng (động cơ xoay chiều, lị cảm ứng…), dịng điện qua các linh kiện điện tử

khơng thể đóng ngắt bằng q trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, linh kiện trong bộ
nghịch lưu áp phải có khả năng kích đóng, ngắt dịng chạy qua nó. Trong các ứng
dụng với dãi cơng suất vừa thì có thể sử dụng Transistor lưỡng cực BJT, Transistor
hiệu ứng trường MOSFET hay là Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT. Với tải
tổng quát, mỗi linh kiện còn mắc thêm một diode đối song song để hạn chế điện áp
phát sinh khi kích ngắt linh kiện.

8


2.2.2. Phân loại bộ nghịch lưu áp.
 Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác
nhau:
- Theo số pha điện áp đầu ra tùy theo yêu cầu điều khiển ở tải: 1 pha, 2 pha, 3
pha, …
- Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên
mạch (phase to pole voltage): 2 bậc, 3 bậc, 5 bậc, 7 bậc, 9 bậc,…
- Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng diode
kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạng dùng tụ điện thay
đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter), …
- Theo phương pháp điều khiển:
+ Phương pháp điều rộng.
+ Phương pháp điều biên.
+ Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM).
+ Phương pháp điều chế độ rộng xung sin cải biến (Modifield SPWM).
+ Phương pháp điều chế vector không gian (Space Vector Modulation).
2.3. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc.
 Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:
- Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter).
- Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter).

- Dạng ghép tầng Cascade (Cascade Inverter).

9