Đề tài Nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500w

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG SUẤT NHỎ HƠN 500W GVHD: TS. QUÁCH THANH HẢI SVTH: Lê Cao Ngọc Phúc 16341019 Bùi Thành Đạt 16341008 Tp. Hồ Chí Minh - 1/2018 i BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG SUẤT NHỎ HƠN 500W GVHD: TS. QUÁCH THANH HẢI SVTH: Lê Cao Ngọc Phúc 16341019 Bùi Thành Đạt 16341008 Tp. Hồ Chí Minh - 1/2018 ii TRƯỜNG ĐH.SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp.HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Cao Ngọc Phúc MSSV:16341019 Bùi Thành Đạt MSSV:16341008 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 3 Khóa: 2016 Lớp: 163410A I. TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG SUẤT NHỎ HƠN 500W”. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Các tài liệu và thông số cần thiết về bộ nghịch lưu, điều chế PWM, mạch DC-DC và nguyên lý đồng bộ lưới điện 2. Nội dung thực hiện: Nội dung 1: Phân tích Bộ nghịch lưu 1 pha PWM sử dụng bán dẫn công suất Nội dung 2: Nghiên cứu bộ biến đổi điện áp một chiều. Nội dung 3: Thiết kế mạch nghịch lưu 1 pha. Nội dung 4: Thiết kế bộ tăng áp DC/DC. Nội dung 5: Lập trình điều khiển. Nội dung 6: Chạy thử nghiệm, đánh giá kết quả và khắc phục sự cố. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/10/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/1/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. QUÁCH THANH HẢI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH Tp.HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Bùi Thành Đạt Lớp: 163410A MSSV: 16341008 Họ tên sinh viên 2: Lê Cao Ngọc Phúc Lớp: 163410A MSSV: 16341019 Tên đề tài: Nghiên Cứu Nghịch Lưu Hòa Lưới Điện Mặt Trời Công Suất Nhỏ Hơn 500W. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 1, 2 & 3 Tìm và đọc hiểu các tài liệu liên quan: Tài liệu điện tử công suất (linh kiện bán dẫn, nguyên lí mạch boots điện áp, nghịch lưu 1 pha) 4, 5 & 6 Mô phỏng mạch boots điện áp đơn giản. Tìm hiểu tạo xung PWM. 7 &8 Thiết kế sơ đồ nguyên lí mạch boots DC-DC. Thiết kế sơ đồ nguyên lí nghịch lưu cầu 1 pha. Lập trình mô phỏng. 9 & 10 Thiết kế sơ đồ nguyên lí cho các khối cần thiết (mạch nguồn ±15VDC, hồi tiếp) Tìm hiểu mạch kích và cách ly. 10 & 11 Thi công board mạch, kết nối linh kiện và các khối lại với nhau. Tìm hiểu Card điều khiển DSP TMS320F28335. 12 & 13 Chạy thử nghiệm hệ thống. Kiểm tra sai sót. Viết báo cáo. 14 & 15 Chạy hệ thống lấy kết quả thực nghiệm. Viết báo cáo. Bảo vệ đồ án GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của TS. Quách Thanh Hải. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong đề tài là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018 Người thực hiện đề tài Bùi Thành Đạt Lê Cao Ngọc Phúc v LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Quách Thanh Hải – Các Thầy, Cô bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Phòng thí nghiệm D405 đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm chúng em hoàn thành tốt đề tài. Do kiến thức còn hạn chế nên có nhiều thiếu sót, trong quá trình nghiên cứu đề tài được Thầy chỉ dạy những chỗ thiếu sót, chia sẻ kinh nghiệm của mình khi nhóm gặp vấn đề trong thực nghiệm. Em xin cảm ơn thầy. Em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện – Tử đã hỗ trợ phòng thí nghiệm Điện tử công suất D405 tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn cùng lớp 163410A đã chia sẽ trao đổi kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Trong quá trính nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, nhóm hy vọng sẽ nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ thầy cô, bạn bè và những người quan tâm để đề tài được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài LÊ CAO NGỌC PHÚC BÙI THÀNH ĐẠT vi MỤC LỤC Trang bìa ........................................................................................................................ i Nhiệm vụ đồ án .............................................................................................................. ii Lịch trình ....................................................................................................................... iii Cam đoan ...................................................................................................................... iv Lời cảm ơn ...................................................................................................................... v Mục lục .......................................................................................................................... vi Liệt kê hình vẽ............................................................................................................... vii Liệt kê bảng vẽ ............................................................................................................ viii Tóm tắt ......................................................................................................................... ix CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU ......................................................................................................... 3 1.3 NỘI DỤNG THỰC HIỆN .................................................................................. 3 1.4 GIỚI HẠN .......................................................................................................... 4 1.5 BỐ CỤC ............................................................................................................. 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 5 2.1 NGUYÊN TẮC NGHỊCH LƯU MỘT PHA ..................................................... 5 2.1.1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi .................................................................... 5 2.1.2 Sơ đồ nửa cầu .............................................................................................. 6 2.1.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ phận nghịch lưu áp ......................................................... 8 2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG PWM ..................................................... 8 2.2.1 Mô tả kĩ thuật PWM .................................................................................... 8 2.3 TẠO XUNG PWM DỰA TRÊN PHẦN MỀM ............................................... 11 2.4 BIẾN ĐỒI DC-DC TĂNG ÁP ......................................................................... 12 2.4.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 12 2.5 NGUYÊN LÝ ĐỒNG BỘ LƯỚI ..................................................................... 14 vi 2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................ 14 2.6.1 Pin năng lượng mặt trời ............................................................................. 14 2.6.2 Các linh kiện phục vụ nghịch lưu ............................................................. 15 2.6.3 Mạch kích .................................................................................................. 17 2.6.4 Card DSP 320F28335- Thiết bị xử lý trung tâm ....................................... 19 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. .......................................................... 22 3.1 GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 22 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..................................................... 22 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ..................................................................... 22 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ........................................................................ 23 3.3 KẾT NỐI PHẦN CỨNG .................................................................................. 41 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................. 42 4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................. 42 4.2 GIÁ ĐỠ PIN MẶT TRỜI ................................................................................. 43 4.3 THI CÔNG CÁC KHỐI MẠCH ĐIỆN ........................................................... 43 4.3.1 Mạch nguồn ±15VDC .............................................................................. 44 4.3.2 Mạch nguồn 5VDC ................................................................................... 45 4.3.3 Mạch kích .................................................................................................. 46 4.3.4 Mạch đo ..................................................................................................... 48 4.3.5 Mạch boost điện áp từ pin mặt trời ........................................................... 50 4.3.6 Mạch nghịch lưu cầu ................................................................................. 52 4.4 LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ............................................................................... 53 4.4.1 Mạch boost điện áp DC-DC ...................................................................... 53 4.4.2 Mạch nghịch lưu cầu ................................................................................. 56 4.4.3 Lập trình tạo tín hiệu đồng bộ ................................................................... 60 4.5 KẾT NỐI CÁC KHỐI CHƯƠNG TRÌNH VÀ PHẦN CỨNG ....................... 62 4.6 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN ................................................................................ 63 4.6.1 Tạo file CCS và nạp code cho vi điều khiển ............................................. 63 4.6.2 Quy trình thao tác chạy hệ thống .............................................................. 65 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ............................................ 66 5.1 NGUYÊN TẮC MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ..................................... 66 vi 5.2 ĐIỀU KIỆN MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ............................................ 66 5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM PIN MẶT TRỜI ................... 66 5.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM MẠCH BOOST DC-DC ...... 67 5.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU .. ................................................................................................................................ 76 5.6 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM GIẢI THUẬT TẠO ĐIỆN ÁP ............... 82 5.7 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 84 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ...................................... 85 6.1 KẾT LUẬN. ..................................................................................................... 85 6.1.1 Các vấn đề đã thực hiện được. .................................................................. 85 6.1.2 Các vấn đề chưa thực hiện được. .............................................................. 85 6.1.1 Nguyên nhân. ............................................................................................ 85 6.2 CÁC KẾT LUẬN KHOA HỌC RÚT RA ....................................................... 86 6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 89 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 90 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Trang Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nửa cầu dùng nguồn đôi................................................ 5 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu .................................................................................. 6 Hình 2.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu áp ........................................................................ 8 Hình 2.4 Mạch điều chế PWM ......................................................................................... 9 Hình 2.5 Điện áp điều khiển (Vsin), điện áp sóng mang và điện áp trên tải với cấu hình nghịch lưu nửa cầu ............................................................................................................. 10 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý tạo xung PWM trong PSIM .................................................. 11 Hình 2.7 Dạng sóng PWM ngõ ra .................................................................................. 11 Hình 2.8 Mạch tăng áp DC-DC ...................................................................................... 12 Hình 2.9 Mạch ở trạng thái Switch S đóng .................................................................... 12 Hình 2.10 Mạch ở trạng thái Switch S mở ....................................................................... 13 Hình 2.11 Mô hình hòa lưới từ pin mặt trời ...................................................................... 14 Hình 2.12 BJT, MOSFET và IGBT .................................................................................. 15 Hình 2.13 Cấu trúc của IGBT ........................................................................................... 16 Hình 2.14 Hình ảnh thực tế và ký hiệu IGBT FGA25N120 ............................................ 17 Hình 2.15 Card DSP TMS320F28335 .............................................................................. 19 Hình 2.16 Giao diện khởi động Code Composer Studio .................................................. 19 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................... 23 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu áp cầu 1 pha .............................................. 24 Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch kích ...................................................................................... 27 Hình 3.4 Phần mạch lái cho IGBT nhánh trên ............................................................... 27 Hình 3.5 Chiều dòng điện khi ghép nối quang OK1 dẫn ............................................... 28 Hình 3.6 Chiều dòng điện khi ghép nối quang OK2 dẫn ............................................... 29 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lí mạch DeadTime .................................................................... 30 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí mạch kích .............................................................................. 31 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý nguồn 5VDC ........................................................................ 32 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ± 15VDC.......................................................... 33 Hình 3.11 Mạch DC-DC tăng áp ...................................................................................... 34 Hình 3.12 Mạch hoạt động khi Switch mở ....................................................................... 34 Hình 3.13 Mạch hoạt động khi Switch đóng .................................................................... 35 Hình 3.14 Mạch lọc LC .................................................................................................... 36 Hình 3.15 Giá trị THD ở ngõ ra nghịch lưu ..................................................................... 37 Hình 3.16 Dạng sóng điện áp hồi tiếp mong muốn .......................................................... 37 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp pin mặt trời. ................................................... 38 Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp điện áp DC-DC .............................................. 39 Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến điện áp lưới T1,T2 ...................................... 40 vii Hình 3.20 Sơ đồ phần cứng hệ thống ............................................................................... 41 Hình 4.1 Pin mặt trời cung cấp nguồn cho thực nghiệm ................................................ 43 Hình 4.2 Hình mạch nguồn ±15VDC thực tế ................................................................. 45 Hình 4.3 Hình mạch nguồn 5VDC ................................................................................. 46 Hình 4.4 Mạch kích ........................................................................................................ 47 Hình 4.5 Mạch hồi tiếp áp pin mặt trời .......................................................................... 48 Hình 4.6 Mạch hồi tiếp điện áp DC-DC boost ............................................................... 49 Hình 4.7 Mạch hồi tiếp áp từ máy biến áp AC ............................................................... 50 Hình 4.8 Kết nối các linh kiện mạch boost DC-DC ....................................................... 51 Hình 4.9 Mạch nghịch lưu cầu ....................................................................................... 52 Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lí mạch boost DC-DC ............................................................... 53 Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật mạch boost DC-DC tự ổn định áp ra .................................. 54 Hình 4.12 Kết quả mô phỏng mạch boost DC-DC ........................................................... 55 Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu cầu ............................................................. 56 Hình 4.14 Thông số cài đặt cho PWM nghịch lưu ........................................................... 56 Hình 4.15 Kết nối bộ PWM, mạch kích và cực cổng các IGBT (a), sóng mang (b) ....... 57 Hình 4.16 Dạng sóng Vsin và dạng sóng điện áp Ut.......................................................... 57 Hình 4.17 Lưu đồ giải thuật nghịch lưu ........................................................................... 59 Hình 4.18 Mô phỏng mạch nghịch lưu cầu ...................................................................... 59 Hình 4.19 Dạng xung PWM và điện áp ra nghịch lưu trên mô phỏng ............................. 60 Hình 4.20 Lưu đồ điều khiển đồng bộ .............................................................................. 61 Hình 4.21 Sơ đồ nguyên lí mô phỏng đồng bộ ................................................................. 62 Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý mô phỏng hệ thống ............................................................... 62 Hình 4.23 Phần cứng toàn bộ hệ thống ............................................................................ 62 Hình 4.24 Sơ đồ thực hiện chạy hệ thống ...........................