Mô phỏng, thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC - Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập

ung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình Acquy, và tình trạng phóng nạp của bình. Trị số tỷ trọng của bình Acquy khi được nạp đầy được quy ra ở 25o được cho ở bảng sau: Loại bình Acquy Tỷ trọng chất điện phân Bình Acquy làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện công 1,275 61 nghiệp lớn. Bình Acquy dùng cho xe ôtô, máy bay. 1,260 Bình Acquy dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như soi sáng tàu điện, hoặc khởi động các động cơ lớn… 1,245 Bình Acquy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng 1,215 Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho Acquy. Lúc này Acquy đóng vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi nạp điện cho Acquy người ta cho dòng điện một chiều đi vào Acquy. Dung dịch axit sunfuric bị điện phân, làm xuất hiện hiđrô và ôxit ở hai bản chì. ở bản nối với cực âm của nguồn điện chì ôxit PbO2 bị khử mất ôxi và thành chì Pb. Bản này sẽ thành cực âm của Acquy. Còn ở bản nối với cực dương của nguồn điện thì có ôxit bám vào, ôxi hóa Pb3O4 thành chì điôxit PbO2. Bản này sẽ trở thành cực dương của Acquy. Khi hai cực đã trở thành Pb và PbO2 thì giữa chúng có một hiệu điện thế. Acquy trở thành nguồn điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện. Nếu ta nối hai cực của acquy đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng điện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào Acquy. Dòng điện này sẽ gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân nhưng lần này các iôn chuyển dời ngược chiều với lúc đầu: hiđrô sẽ chạy về bản PbO2 và khử ôxi, làm cho bản này chở thành chì ôxit PbO. Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn giống nhau thì dòng điện tắt. Bây giờ muốn Acquy lại phát điện, ta phải nạp điện cho nó để hai cực trở thành Pbvà PbO2. Dung lượng của Acquy là lượng điện (điện tích) mà Acquy đó sau khi đã được nạp đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng. Mức ngừng là mức mà không nên bắt Acquy phát điện tiếp, nếu cứ để Acquy phát điện ở dưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của Acquy, thậm chí có thể làm Acquy chết ngay lập tức. Đó là trường hợp dùng nhiều Acquy mắc nối tiếp nhau khi 1 Acquy đã phát hết điện mà những cái khác chưa hết điện và ta tiếp tục dùng thì cái hết điện trước sẽ bị đảo cực và hỏng hoàn toàn. Với Acquy chì thông thường thì mức ngừng là 1,67V cho mỗi ngăn; hay là 10V cho cả 6 ngăn. Đơn vị để đo điện tích trong vật lý là Coulomb. Đại lượng điện tích không phụ thuộc vào điện thế của Acquy. 1 Coulomb = 1 Ampere * 1 sec: như vậy cũng có thể dùng Ampere * second để chỉ đại lượng điện tích. Dung lượng của bình Acquy thường được tính bằng Ampe giờ (AH). AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này thay đổi tùy theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ 62 trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng. Nhà sản xuất thường đặt số dung lượng trong ký hiệu của Acquy. Ví dụ N100 là Acquy 100Ah. Thông số dung lượng của Acquy do nhà sản xuất công bố thường được tính khi phát điện với dòng điện nhỏ trong 20 giờ. Ví dụ Acquy 100Ah phát điện với dòng điện 5A sẽ dùng được trong 20 giờ. Khi dòng điện phát ra càng lớn thì thời gian phát điện càng nhỏ nhưng thời gian giảm rất nhanh chứ không theo tỉ lệ nghịch với dòng điện. Nghĩa là dòng điện càng lớn thì điện tích phát ra càng giảm. 2.4.2 Các phương pháp phóng và nạp Acquy: 2.4.2.1 Phóng điện Acquy: Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo. Khi phóng điện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho đến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V. Khi phóng với chế độ 1, 2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngăn xuống đến 1,75V. Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện thế. Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ trọng chất điện phân. Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3 so với tỷ trọng ban đầu. (Nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75V.) Việc nạp Acquy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng Acquy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng. Tuỳ theo phương pháp vận hành Acquy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau: • Nạp với dòng điện không đổi. • Nạp với dòng điện giảm dần. • Nạp với điện thế không đổi. • Nạp thay đổi với điện thế không đổi 2.4.2.2 Nạp với dòng điện không đổi: Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước. - Nạp kiểu 1 bước: để dòng nạp không vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là 0, 12 x C(10). - Nạp kiểu 2 bước: 63 Bước 1: để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp, nhưng không vượt quá 0,25 x C(10). Khi điện thế tăng lên đến 2,3V - 2,4V thì chuyển sang bước 2. Bước 2: để dòng điện nạp không vượt quá 0,12 C x (10). Đến cuối thời gian nạp, điện thế Acquy đạt đến 2,6V - 2,8V, tỷ trọng Acquy tăng lên đến 1,200 -1,210 g/cm3, giữa các bản cực Acquy quá trình bốc khí xảy ra mãnh liệt. Việc nạp được coi là kết thúc khi điện thế và tỷ trọng của Acquy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ, và các Acquy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì. Thời gian nạp đối với Acquy đã được phóng hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bước với dòng 0,12 x C(10) mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 0,25 x C(10) và 0,12 x C(10) mất khoảng 7-8 giờ. Ở các giá trị mà dòng điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tương ứng. 2.4.2.3 Nạp với dòng điện giảm dần: Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25 C(10) và sau đó 0,12 x C(10). Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng được tăng lên. Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trường hợp nạp với dòng điện không đổi. 2.4.2.4 Nạp với điện thế không đổi: Nạp với điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc với chế độ ổn áp. Điện thế được chọn trong giới hạn từ 2,2V- 2,35 V và được duy trì ổn định trong suốt quá trình nạp. Thời gian nạp độ vài ngày đêm. Trong 10 giờ nạp đầu tiên, Acquy có thể nhận được tới 80% dung lượng bị mất khi phóng. Khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ thì có thể kết thúc việc nạp. 2.4.2.5 Nạp thay đổi với điện thế không đổi: Việc nạp được tiến hành theo 2 bước: Bước 1: dòng điện nạp được hạn chế ở 0,25xC(10), còn điện thế thay đổi tự do cho đến khi tăng lên đến 2,2V-2,35V thì chuyển sang bước 2. Bước 2: nạp với điện thế không đổi. 2.4.3 Các chế độ vận hành: 2.4.3.1Chế độ nạp thường xuyên: Đối với các loại bình Acquy tĩnh điện, việc vận hành Acquy được tiến hành theo chế độ phụ nạp thường xuyên. Acquy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp. Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của Acquy tăng lên và hạ thấp cho phí bảo dưỡng. Để bảo đảm chất lượng Acquy, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dợt 4 lần. Trong quá trình vận hành Acquy ở chế độ phụ nạp thường xuyên, Acquy không cần phóng tập dợt cũng như nạp lại. Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng Acquy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất. 64 Ở chế độ phụ nạp thường xuyên cần duy trì điện thế trên mỗi Acquy là 2,2±0,5V để bù trừ sự tự phóng và duy trì Acquy ở trạng thái luôn được nạp đầy. Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì từ 50-100 mA cho mỗi 100Ah dung lượng. Ở chế độ phụ nạp này, điện thế trên Acquy phải dược duy trì tự động trong khoảng ± 2%. 65 Việc phóng thử dung lượng thực tế của Acquy được tiến hành 1-2 năm một lần hoặc khi có nghi ngờ dung lượng của Acquy kém. Dòng điện phóng được giới hạn ở chế độ mức 3-10 giờ. Để đánh giá chính xác dung lượng phóng của Acquy nên tiến hành ở cùng một chế độ phóng như nhau trong nhiều lần phóng. Dung lượng quy đổi được tính theo công thức: C20 = Ct / [1+(0,008(t-20))] C20 : dung lượng ở 20oC. Ct : dung lượng ở toC. 2.4.3.2 Chế độ phóng nạp xen kẽ: Acquy làm việc ở chế độ phóng nạp xen kẽ là Acquy thường xuyên cấp vào phụ tải sau khi đã ngưng nạp. Sau khi phóng đến một giá trị nào đó thì phải nạp trở lại. Trường hợp sử dụng Acquy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi là 0,1 x C(10). Việc nạp lại này nhằm loại trừ việc Sunfat hóa ở các bản cực. 2.4.4 Mô hình Bond Graph của Acquy: Acquy là một nguồn áp có khả năng nạp như một tụ điện, từ đó ta có thể tương đương Acquy bằng mô hình một nguồn áp mắc nối tiếp với một tụ điện và một điện trở (nội trở của Acquy). Hình 2.50 Sơ đồ tương đương của Acquy. Hình 2.51 Mô hình Bond Graph của Acquy. 66 Hình 2.52 Đồ thị điện áp và dòng điện của Acquy khi nối tải 30Ω. Hình 2.53 Đồ thị điện áp và dòng điện của Acquy khi nạp từ nguồn 30V. 2.5 Mô phỏng mạch nạp Acquy trong hệ thống pin mặt trời độc lập: Hình 2.54 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy từ pin mặt trời. 67 Đặt β= = ( Ip(t) – αIL2(t) ) (2.37) ( αVp(t) – Vbat ) (2.38) Từ sơ đồ nguyên lý và từ các công thức trên ta có chu trình hoạt động của mạch như sau: Hình 2.55 Sơ đồ chu trình hoạt động của mạch. Điện áp từ pin mặt trời Vp qua bộ nhân Vbat / Vp-ref sẽ cho điện áp trên diode Vs = β.Vp. Từ công thức 2.38 ta có giá trị dòng điện qua cuộn cảm L2 có được bằng cách cho tín hiệu áp VL2 qua bộ nhân 1/L2p, với VL2 = Vs – Vbat. Trên sơ đồ nguyên lý (hình 2.52) ta thấy Ie = β.IL2 .Vì vậy, Ie có được khi ta cho IL2 qua bộ nhân Vbat / Vp-ref. Từ công thức 2.38 ta có giá trị điện áp từ pin mặt trời có được khi ta cho tín hiệu dòng ICpv qua bộ nhân 1/Cpvp, với ICpv = Ie – Ip. Hình 2.56 Chu trình kín của dòng IL2. Để có giá trị điện áp trên VL2 ta cho IL2-ref – IL2 qua bộ PI có hệ số tỉ lệ và hệ số thời gian tích phân như sau: = R1(p) R1(p) = Kp1(1+ ) Hệ số tỉ lệ Kp1 = 2.ξ.ω.L2 Hệ số thời gian tích phân Ti1 = 2. ξ / ω Chọn: Cuộn cảm L2 = 2,4mH. Hệ số tắt dần ξ = 1. Tần số hoạt động f = 1kHz. ⇒Ta có: Kp1 = 30,16 Ti1 = 318µs 68 Vs = Vbat+VL2 qua bộ nhận Vp-ref / Vbat sẽ cho ta giá trị Vp. Phần chu trình còn lại giống như ở hình 2.53. Hình 2.57 Sơ đồ khái quát chu trình điện áp. Giá trị ICpv-ref có được khi ta cho Vp-ref – Vp qua bộ PI có hệ số tỉ lệ và hệ số thời gian tích phân như sau: Vp εVP = R2(p) Với R2(p) = Kp(1 + ) = Hệ số tỉ lệ Kp2 = 2.ξ.ω.Cpv Hệ số thời gian tích phân Ti2 = 2. ξ / ω Chọn: Tụ Cpv = 1000µF. Hệ số tắt dần ξ = 0,7. Tần số hoạt động f = 100Hz. ⇒Ta có: Kp1 = 0,88 Ti1 = 2,23ms Từ các sơ đồ và các kết quả tính ở trên ta có sơ đồ quá trình điều khiển mạch nạp như sau : Hình 2.58 Sơ đồ điều khiển vòng kín mạch nạp Acquy. 69 Điện áp hở mạch VOC từ pin mặt trời qua bộ nhân có hệ số Kv cho ta giá trị của Vp-ref. Khi Vp-ref – Vp qua bộ PI sẽ cho ICpv-ref. Ie = Ip – ICpv-ref. Theo định luật bảo toàn công suất ta có: Ie.Vp-ref = Vbat.IL2-ref . Nên khi cho Ie qua bộ nhân ta được : IL2-ref = Ie . VL2 có được khi ta cho IL2-ref – IL2 qua bộ PI. VL2 + Vbat = Vs. Hệ số điều khiển : = ⇒ Để có được hệ số ta cho VL2 + Vbat qua bộ nhân 1/Vp-ref. Từ sơ đồ điều khiển như trên ta xây dựng được mô hình mô phỏng bằng chương trình Bond-Graph như hình 2.57. Thông số các thành phần trong mô hình Bond-Graph của hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC: - Mô hình pin mặt trời có thông số như của pin BP275: Dòng ngắn mạch ISC = 4,75 A. Điện áp hở mạch VOC = 21,4 V. Công suất cực đại Pmax = 75 W. Vm = 17V. Im = 4,45A. - Cuk converter: Tụ điện: Cpv = 1000µF, C2 = 100 µF. Cuộn cảm: L2 = 2,4 mH. - Acquy: 24V, dung lượng 100Ah. Hình 2.59 Mô hình Bond Graph mạch nạp acquy từ hệ thống pin mặt trời. 70 Chương 3: THI CÔNG MẠCH ĐIỆN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI. 3.1 Thi công mạch nạp Acquy từ nguồn pin mặt trời: Hình 3.1 Mô hình hệ thống. Dựa vào kết quả mô phỏng đã thực hiện ở chương 2, mạch nạp Acquy được thiết kế từ sơ đồ nguyên lý của mạch Cuk converter được điều khiển bởi vi điều khiển PIC 18F8722. Hình 3.2 Sơ đồ khối mạch điện. 71 Từ sơ đồ khối ta xác định được mạch điện cần thi công gồm các mạch chính sau: - Mạch điều khiển. - Mạch Cuk converter. - Mạch hồi tiếp dòng điện và điện áp ngõ vào. - Mạch hồi tiếp dòng điện và điện áp ngõ ra. Vì nguồn điện nuôi mạch lấy từ chính Acquy mà ta cần nạp nên ta cần có thêm các mạch nguồn cách ly. 3.1.1 Mạch điều khiển: Vi điều khiển ta sử dụng trong mạch điều khiển là PIC 18F8722 (datasheet sẽ được trình bày trong phần phụ lục). Từ sơ đồ chân ở hình 3.3 và sơ đồ nguyên lý ở hình 3.4 ta có các chân Pic được sử dụng: - Các chân nhận giá trị hồi tiếp dòng áp là các chân analog AN5, AN6, AN7, AN8. Trong đó: AN5 (chân 24): đo áp ngõ vào (VOL_CELL). AN6 (chân 23): đo áp ngõ ra (VOL_BATT). AN7 (chân 18): đo dòng ngõ vào (CURRENT_CELL). AN8 (chân 17): đo dòng ngõ ra (CURRENT_BATT). - Port G gồm các chân RG0, RG1, RG2, RG3, RG4, RG5, GND và Vcc được nối với Jack cắm J34 là các chân digital I/O được sử dụng làm port điều khiển. Trong đó chân RG3, RG4 (chân 8 và 10) được dùng để kích Mosfet của mạch Cuk (PWM_CHARGE và PWM_MPPT). - Jack cắm J37 là jack giao tiếp với mạch nạp chương trình cho PIC từ máy tính. Jack được nối với các chân PGC (52), PGD (47), chân Reset (9), GND và chân Vcc. - TX1 (37) và RX1 (38) là các chân giao tiếp với máy tính qua MAX232. - Chân INT0 (58) và INT1 (57) được mắc với chân tín hiệu quá áp và quá dòng ngõ ra từ mạch hồi tiếp. - Hai chân Vref+ (27) và Vref- (28) được sử dụng để chỉnh điện áp chuẩn cho các bộ ADC khi đọc các giá trị dòng áp hồi tiếp. 72 Hình 3.3 Sơ đồ chân của PIC 18F8722. 73 +C54 1u VOL_BATT VOL_CELL J27 CON5 1 2 3 4 5 PGC PGD J34 CON8 1 2 3 4 5 6 7 8 PGC PGD OVER_VOL_BATT 5V OVER_CURRENT_BATT PWM_MPPT PWM_CHARGE RESET VREF+ VREF- TX1 5V RX1 5V RESET 5V R39 10 RH2 / A18 1 RH3 / A19 2 RE1 / AD9 / *WR / P2C 3 RE0 / AD8 / *RD / P2D 4 RG0 / ECCP3 / P3A 5RG1 / TX2 / CK2 6RG2 / RX2 7RG3 / CCP4 / P3D 8RG5 / *MCLR / VPP 9RG4 / CCP5 / P1D 10 VSS 11 VDD 12 RF7 / *SS1 13RF6 / AN11 14RF5 / AN10 / CVREF 15RF4 / AN9 16RF3 / AN8 17RF2 / AN7 / C1OUT 18 RH7 / AN15 / P1B 19RH6/AN14/P1C 20RH5 / AN13 / P3B 21RH4 / AN12 / PC3 22 RF1 / AN6 / C2OUT 23 RF0 / AN5 24 AVDD 25 AVSS 26 RA3 / AN3 / VREF+ 27 RA2 / AN2 / VREF- 28 RA1 / AN1 29 RA0 / AN0 30 VSS 31 VDD 32 HLVDIN / AN4 / RA5 33 TOCKI / RA4 34 RC1 / T1OSI / ECCP2 / P2A 35 RC0 / T1OSO / T13CKI 36 RC6 / TX1 / CK1 37 RC7 / RX1 / DT1 38 RJ4 / BAO 39 RJ5 / *CE 40 RJ6 / *LB 41 RJ7 / *UB 42 RC2 / ECCP1 / P1A 43 RC3 / SCK1 / SCL1 44 RC4 / SDI1 / SDA1 45 RC5/ SDO1 46 RB7 / KBI3 / PGD 47 VDD 48 OSC1 / CLKI / RA7 49 OSC2/ CLK0 / RA6 50 VSS 51 RB6 / PGC52 RB5 / KBI1 / PGM53 RB4 / KBI054 RB3 / INT3 / ECCP2 / P2A55 RB2 / INT2 56 RB1 / INT1 57 RB0 / INT0 58 RJ3 /* WRH 59RJ2 / *WRL 60RJ1 / *0E 61RJ0 / ALE 62 RD7 / AD7 / PSP7 / *SS2 63 RD6 / AD6 / PSP6 / SCK2 / SCL2 64 RD5 / AD5 / PSP5 / SDI2 / SDA2 65 RD4 / AD4 / PSP4 / SDO2 66 RD3 / AD3 / PSP3 67 RD2 / AD2 / PSP2 68 RD1 / AD1 / PSP1 69 VSS 70 VDD 71 RD0 / AD0 / PSP0 72 RE7 / AD15 / ECCP2 / P2A 73 RE6 / AD14 / P1B 74 RE5 /AD13 / P1C 75 RE4 / AD12 / P3B 76 RE3 / AD11 / P3C 77 RE2 / AD10 / *CS / P2B 78 RH0 / A16 79 RH1 / A17 80 CURRENT_BATT CURRENT_CELL Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. RV5 20k1 3 2 VREF- J26 TEST_POINT 1 RV6 20k1 3 2+ C4810U J24 TEST_POINT 1 U18 TL431 R30 1K 5V RV3 20k1 3 2 J25 TEST_POINT 1 VREF+ + C50 10U + C56 10U Hình 3.5 Mạch chỉnh điện áp chuẩn cho bộ ADC. 74 Mạch điều khiển giao tiếp với máy tính qua cổng COM được thực hiện thông qua IC MAX232. MAX232 là bộ chuyển mức logic từ TTL sang RS232 và ngược lại. Cổng COM được sử dụng trong mạch là cổng DP9. TX1 GND RXD TXD DTR DSR RTS RI DCD CTS P1 Female 5 9 4 8 3 7 2 6 1 U5 MAX232 C1+ 1 C1- 3 C2+ 4 C2- 5 V+ 2 V - 6 R1OUT12 R2OUT9 T1IN 11 T2IN 10 R1IN 13 R2IN 8 T1OUT 14 T2OUT 7 + C8 10U + C9 10U + C10 10U + C11 10U 5V RX1 Hình 3.6 Mạch giao tiếp máy tính dùng MAX232. Hình 3.7 Sơ đồ chân MAX232. 3.1.2 Mạch Cuk converter: D3 DIODE J36 CON3 1 2 3 J1 CON2 1 2 L2 2,4mH D1 DIODE LOAD SOLAR CELL J3 CON2 1 2 CURRENT SENSOR IN J4 CON2 1 2 CURRENT SENSOR OUT G_FET V_CELL F1 FUSE F2 FUSE Q1 FGA25N120ANTD C1 100u/100V C2 1000uF/100V L3 1,2mH Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch Cuk converter. 75 Thông số linh kiện trong mạch: Cuộn cảm: L1 = 1,2 mH, L2 = 2,4mH. Tụ điện: C1 = 100µF, C2 = 1000 µF. Q1 được sử dụng trong mạch là một IGBT: FGA25N120 ANTD Hình 3.9 Sơ đồ chân của FGA25N120 ANTD. G_FET R5 10 U13D HEF40106BP9 8 14 7 U12 HCPL-2231 +VF1 1 -VF1 2 V D D 8 VO2 6 G N D 5 -VF2 3 +VF24 VO1 7 12V12V R2 330 U13A HEF40106BP 1 2 14 7 U13B HEF40106BP 3 4 14 7 J5 CON2 1 2 U13C HEF40106BP 5 6 14 7 U13E HEF40106BP11 10 14 7 U13F HEF40106BP13 12 14 7 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch kích IGBT. Tín hiệu kích đưa từ chân PWM_CHARGE của vi điều khiển qua mạch kích qua jack cắm J5. Hình 3.11 Sơ đồ chân HCPL 2231. 76 HCPL 2231 là một Opto dùng để cách ly giữa tín hiệu kích đưa từ PIC xuống và điện áp dùng để kích IGBT. HCPL 2231 gồm 2 Opto nhưng trong mạch trên ta chỉ cần cách ly tín hiệu PWM_CHARGE nên chỉ cần sử dụng Opto1 gồm: chân 1 nhận tín hiệu PWM_CHARGE, chân 2 nối với GND của PIC, ngõ ra là chân 7. Hình 3.12 Sơ đồ chân HEF40106BP. HEF40106BP có 6 bộ đệm đảo, nhưng mạch chỉ cần đệm cho 1 tín hiệu đi ra từ chân số 7 của bộ cách ly HCPL 2231 nên ta chỉ sử dụng chân 1 và 2, đây là 2 chân của bộ đệm đảo 1. Vì tín hiệu ra đã bị đảo nên ta dùng 5 bộ còn lại để đảo lại và đệm tạo thành tín hiệu kích cho IGBT. 3.1.3 Các mạch hồi tiếp dòng áp: 3.1.3.1 Mạch hồi tiếp áp ngõ vào: Hình 3.13 Sơ đồ chân của OP07. VOL_CELL R45 1k R35 100K SOLAR CELL + C57 0.1u + C65 0.1u 15V -15V J1 CON2 1 2 - + U19 OP-07 3 2 6 71 48 RV4 100K 1 32 R32 10k V_CELL Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp áp ngõ vào. 77 Mạch đo điện áp mắc song song với ngõ vào của pin mặt trời trên mạch Cuk (jack cắm J1). Tín hiệu VOL_CELL từ ngõ ra của OP 07 đưa về PIC có độ lớn: VOL_CELL = V- = V+ = V_CELL. 3.1.3.2 Mạch hồi tiếp áp ngõ ra: Hình 3.15 Sơ đồ chân LM393. LM393 là opamp so sánh bao gồm 2 bộ so sánh hoạt động độc lập. Có thể hoạt động với nguồn đơn hoặc đôi. 2V-36V hoặc ± 1V-± 18V. Output = 0 nếu Vs > Vref. Output = 1 nếu Vs < Vref. + C70 1u R8 10k RV11 100K 1 3 2 OVER_VOL_BATT R34 10k R56 10k R57 10k + C58 0.1u LOAD -15V 15V - + U20 OP-07 3 2 6 71 48 J5 CON2 1 2 R46 1k + C66 0.1u VOL_BATT R36 100K 15V -15V - + U21 OP-07 3 2 6 71 48 RV7 100K 1 32 R6 10k - + U55B LM393 5 6 7 8 4 5V R7 1K Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp áp ngõ ra. Cũng tương tự như mạch hồi tiếp áp ngõ vào, mạch hồi tiếp áp ngõ ra cũng sử dụng Op-Amp OP07 làm mạch khuếch đại. Khác với mạch ở hình 4.13, tín hiệu ngõ ra 78 ở Op-Amp thứ nhất sẽ được khuếch đại thêm 10 lần khi qua Op-Amp thứ hai, Op- Amp thứ hai là một mạch nhân có hệ số là R57/R46. Ngoài ra còn có mạch phát hiện quá áp. Tín hiệu ra ở Op-Amp thứ hai được đưa vào Op-Amp LM393 được thiết kế là một bộ so sánh. Điện áp chuẩn đặt trên chân V+ được điều chỉnh bởi biến trở RV11. Khi áp vào vượt quá điện áp chuẩn, mạch sẽ xuất tín hiệu OVER_VOL_BATT về vi điều khiển. 3.1.3.3 Mạch hồi tiếp dòng ngõ vào: Hình 3.17 Cảm biến dòng LTS25-NP. Hình 3.18 Sơ đồ chân của LTS25-NP. 79 CURRENT_CELL U2 LTS25-NP IN 1 1 IN 2 2 IN 3 3 IN 4 4 IN 5 5 IN 6 6 OUT 7 OV 8 +5V 9 -15V 15V - + U24 OP-07 3 2 6 71 48 R40 1k R41 20k R37 10 -15V 15V - + U26 OP-07 3 2 6 71 48 J2 CON2 1 2 5V + C63 1u R1 1K + C61 1u 5V + C62 10u R42 1kR43 20k U25 TL431 RV8 20k1 3 2 J28 CON2 12 R44 1k J29 CON2 1 2 J30 CON2 12 Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp dòng ngõ vào. Dòng điện từ pin mặt trời vào mạch Cuk sẽ qua cảm biến dòng LTS25-NP, cảm biến dòng sẽ xuất ra điện áp Vd = 2,5 ± 0,625.I ở chân OUT (7). Trong mạch dùng 2 cách để đưa giá trị áp Vd về bộ ADC: - Đưa trực tiếp Vd về PIC khi ta hở mạch J28, J29 và ngắn mạch J30. - Ngược lại, nếu ta hở mạch J30 và ngắn mạch J28, J29, Vd sẽ được khuếch đại lên 20 lần ở bộ khuếch đại U24. U26 là Op-Amp tạo ra áp 2,5V để Vd được trừ di lượng 2,5V trong công thức. CURRENT_CELL = 20( Vd – 2,5 ). 3.1.3.4 Mạch hồi tiếp dòng ngõ ra: Tương tự như mạch hồi tiếp dòng ngõ vào ở trên, mạch hồi tiếp dòng ngõ ra cũng dùng cảm biến dòng là LTS25-NP và OP07 làm mạch khuếch đại. Ngoài ra mạch còn có phần mạch cảm phát hiện dòng, mạch này cũng tương tự như mạch phát hiện quá áp ở mạch hồi tiếp áp ngõ ra. Mạch so sánh điện áp trong phấn mạch này là bộ so sánh còn lại của IC LM393 đã sử dụng trong mạch hồi tiếp áp ngõ ra. 80 U3 LTS25-NP IN 1 1 IN 2 2 IN 3 3 IN 4 4 IN 5 5 IN 6 6 OUT7 OV8 +5V 9 J3 CON2 1 2 R38 10 5V + C64 1u CURRENT_BATT 15V -15V - + U27 OP-07 3 2 6 71 48 R47 1k R48 20k -15V 15V - + U28 OP-07 3 2 6 71 48 R2 1K + C67 1u 5V + C68 10u R49 1kR50 20k U29 TL431 RV9 20k1 3 2 J31 CON2 12 R51 1k J32 CON2 1 2 J33 CON2 12 R5 10k - + U55A LM393 3 2 1 8 4 5V R3 1K + C69 1u R4 10k RV10 100K 1 3 2 OVER_CURRENT_BATT Hình 3.20 Mạch hồi tiếp dòng ngõ ra. 3.1.4 Các mạch nguồn: Vì nguồn điện cung cấp cho mạch là Acquy mà mạch điều khiển nạp nên cần phải có bộ nguồn cách ly để cấp cho vi điều khiển. 81 VBAT- U6 205S24FR VIN+1 NC 2 NC 3 VOUT- 10 VOUT+ 11 VIN-12 VIN-13 VOUT+ 14 VOUT- 15 NC 22 NC 23 VIN+24 VBAT+ C17 100uF/35V L10120uH 1 2 L12120uH 1 2 C23100uF/35V D2 1N5819 D8 1N5819 D9 1N5819 U1 205S24FR VIN+ 1 NC 2 NC 3 VOUT- 10 VOUT+ 11 VIN-12 VIN-13 VOUT+ 14 VOUT- 15 NC 22 NC 23 VIN+24 VBAT- 5V VBAT- U4 205S24FR VIN+1 NC2 NC3 VOUT- 10 VOUT+ 11 VIN- 12 VIN- 13 VOUT+ 14 VOUT- 15 NC22 NC23 VIN+24 VBAT+ C15 100uF/35V VBAT+ C11 100uF/35V L7 120uH 1 2 L9 120uH 1 2 L4 120uH 1 2 L5 120uH 1 2 C16100uF/35V C14100uF/35V Hình 3.21 Mạch nguồn DC 5V. Hình trên là mạch nguồn 5V cấp cho mạch điều khiển. Mạch trên dùng 3 bộ DC-DC converter 205S24FR làm nguồn cách ly. Hình 3.22 Sơ đồ chân của 205S24FR. Vì nguồn 5V nuôi khá nhiều linh kiện trong mặt điều khiển nên phải dùng 3 IC 205205S24FR mắc song song với nhau tránh trường hợp thiếu dòng gây tụt áp trên 82 mạch. Nếu trường hợp tụt áp xảy ra, PIC sẽ hoạt động không ổn định và các giá trị dòng, áp hồi tiếp không còn chính xác do điện áp chuẩn đã bị thay đổi. 12V VBAT- U2 205S24FR VIN+ 1 NC 2 NC 3 VOUT- 10 VOUT+ 11 VIN- 12 VIN- 13 VOUT+ 14 VOUT- 15 NC 22 NC 23 VIN+ 24 VBAT+ L8 120uH 1 2 C19100uF/35V VBAT- U5 205S24FR VIN+ 1 NC 2 NC 3 VOUT- 10 VOUT+ 11 VIN- 12 VIN- 13 VOUT+ 14 VOUT- 15 NC 22 NC 23 VIN+ 24 VBAT+ L11120uH 1 2 C22100uF/35V C18 0.1 1 2 J4 CON2 1 2 Hình 3.23 Sơ đồ mạch nguồn DC 12V. Dùng 2 IC 205S24FR mắc nối tiếp ở ngõ ra như ở hình 3.21 tạo thành nguồn cách ly cấp cho mạch kích IGBT. Vì mạch kích chỉ có 2 IC là HCPL 2231và HEF40106BP nên chỉ cần mạch như trên là đã đủ công suất. Q1 D688 R6 15/3W VBAT+ R9 4.7/3W R7 4.7/3W U9 LM7812/TO IN 1 OUT 3 G N D 2 C21 100uF/35V U8 LM7805C/TO IN 1 OUT 3 G N D 2 R8 15/3W Q2 B688 VBAT- L1 120uH 1 2 L3 120uH 1 2 L2 120uH 1 2 C27 100uF/35V C28 100uF/35V C10 100uF/35V C12 100uF/35V 15V -15V U3 DC/DC CONVERTER 5V 1 0V 2-15V 3 0V 4 15V 5 C20100uF/35V Hình 3.24 Sơ đồ mạch nguồn DC ±15V. 83 Hình 3.25 Sơ đồ chân của B688. Hình 3.26 Sơ đồ chân của LM78XX. B688, LM7812 và LM7805 tạo thành mạch ổn áp 5V cấp cho IC 0515. 0515 là bộ DC/DC converter biến đổi điện áp 5V thành ±15V. Đây chính là mạch tạo nguồn đôi cách ly ±15V dùng để nuôi các Op-Amp OP07 trong các mạch hồi tiếp dòng, áp. . Hình 3.27 Sơ đồ chân 0515. 84 Hình 3.28 Mạch điện sau khi hoàn thành. 3.2 Chương trình điều khiển: Chương trình lập trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình C trên trình biên dịch MPLAB dành riêng cho PIC. Sau đó dùng chương trình WinPic để nạp chương trình lậptrình cho PIC. Hình 3.29 Giao diện chương trình MPLAB. 85 Hình 3.30 Giao diện chương trình WinPic800. Hình 3.31 Lưu đồ giải thuật. 86 Hình 3.32 Chương trình điều khiển giao tiếp với máy tính. 87 Chương 4: TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP AA10-121107_ISOLE. 4.1 Giới thiệu hệ thống pin mặt trời độc lập AA10 – 121107_Isole: Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập AA10 – 121107_Isole. Nguyên tắc hoạt động: Nguồn điện từ các tấm pin mặt trời sẽ được nạp vô acquy hoặc nuôi tải DC sẽ được điều khiển bởi bộ điều khiển công suất BP-GM. Sau đó nguồn điện từ acquy hoặc từ pin mặt trời có thể qua bộ nghịch lưu DC/AC thành nguồn điện 230V cấp cho phụ tải điện xoay chiều. 88 Hình 4.2 Tủ điện hệ thống pin mặt trời độc lập. 89 Hình 4.3 Hệ thống pin mặt trời độc lập AA10 – 121107_ISOLE. Bảng 4.1 Thông số của tấm pin mặt trời. Hình 4.4 Acquy dùng trong hệ thống. BP3160 Pmax / P 160W / 155W Vđm 24V Vmax /Imax 34.5V / 4.5A Voc / Isc 44.2V / 4.8A Kích thước: L x l x h 1593 x 790 x 50(mm) Diện tích 1.25m2 Trọng lượng 15kg Hiệu suất 12.7% 90 Bảng 4.2 Thông số Acquy. Tên Tính chất Chức năng R1 Điện trở Shunt được mắc nối tiếp với nguồn DC từ pin mặt trời. Hồi tiếp giá trị dòng điện đầu vào từ pin mặt trời sau khi được nội suy từ giá trị điện áp bởi bộ điều khiển BP. R2 Điện trở Shunt được mắc nối tiếp với nguồn DC từ pin mặt trời và acquy Hồi tiếp giá trị dòng điện đầu ra từ pin mặt trời và acquy sau khi được nội suy từ giá trị điện áp bởi bộ điều khiển BP. KA1 Relay thủy ngân được điều khiển bởi bộ điều khiển BP. Thực thi lệnh đóng ngắt nguồn DC từ pin mặt trời từ bộ điều khiển BP KA2 Relay từ được điều khiển bởi bộ điều khiển BP. Thực thi lệnh đóng ngắt nguồn AC phân phối cho phụ tải từ bộ điều khiển BP. KA3 Relay từ được điều khiển bởi bộ điều khiển BP. Thực thi lệnh đóng ngắt nguồn DC phân phối cho phụ tải từ bộ điều khiển BP. BP-GM Thiết bị quản lí tự động có khả năng điều khiển nhiều thành phần chức năng của hệ thống – SO. Cài đặt các thông số của hệ thống, điều chỉnh các khóa đóng ngắt của hệ thống, mạch nạp acquy, ngày vận hành, bộ duy trì điểm công suất cực đại, dòng điện và công suất,… H1 Đèn trắng nhận tín hiệu Báo hiệu điện áp của panel Q1 Là khóa đóng ngắt 40A có nguồn tự giữ 24V được ngắt bởi khóa S0 và khóa bảo vệ Đóng ngắt nguồn điện DC đưa từ pin mặt trời vào tủ điện. Mã hiệu :ST 1300 Điện áp-dung lượng 12V – 129Ah Kích thước : L x l x h 410 x 177 x 225(mm) Trọng lượng 37.6 kg Dòng điện ngắn mạch 3 KA 91 quá áp U<24 Q2 Là khóa đóng ngắt 40A có nguồn tự giữ 24V được ngắt bởi khóa S0 và khóa bảo vệ quá áp U<24 Đóng ngắt nguồn điện DC đưa từ pin mặt trời vào nạp cho acquy. Q3 Khóa đóng ngắt (relay nhiệt 32A) Bảo vệ quá áp,quá dòng nguồn điện DC đưa từ pin mặt trời vào tủ điện. Q4 Khóa đóng ngắt (relay nhiệt 16A) Đóng ngắt nguồn DC 24V từ acquy hoặc từ nguồn pin mặt trời phân phối cho phụ tải. Bảo vệ quá áp, quá dòng cho phụ tải DC đấu nối vào domino X2. Q5 Khóa đóng ngắt tự động 10A, có relay T phát hiện dòng rò ở 30mA Được làm bằng nhựa PE Đóng ngắt nguồn AC 230 từ Inverter phân phối cho phụ tải. Bảo vệ quá áp, quá dòng cho phụ tải AC đấu nối vào domino X1. Bảo vệ an toàn cho người sử dụng . Q6 Khóa đóng ngắt (relay nhiệt 16A) Đóng ngắt nguồn DC 24V từ acquy hoặc từ pin mặt trời cung cấp cho bộ điều khiển BP Q7 Cầu dao có cầu chì 50A Đóng ngắt nguồn điện DC cung cấp cho Inverter. Bảo vệ cho Inverter, toàn bộ thiết bị đóng cắt và phụ tải AC. Q8 Khóa đóng ngắt (relay nhiệt 2A) Đóng ngắt và bảo vệ phụ tải DC đấu nối với cáp W9, W10. Q9 Khóa đóng ngắt (relay nhiệt 3A) Đóng ngắt và bảo vệ phụ tải DC đấu nối với cáp W11. Q10 Khóa đóng ngắt (relay nhiệt 2A) Đóng ngắt và bảo vệ phụ tải DC đấu nối với cáp W12. Q11 Khóa đóng ngắt (relay nhiệt 0,5A) Đóng ngắt và bảo vệ phụ tải AC đấu nối với cáp W13. Q12 Khóa đóng ngắt (relay nhiệt 4A) Đóng ngắt và bảo vệ phụ tải AC đấu nối với cáp W14. Q13 Khóa đóng ngắt (relay nhiệt 0,5A) Đóng ngắt và bảo vệ phụ tải AC đấu nối với cáp W13. Bảng 4.3 Tính chất và chức năng của thiết bị. Mã hiệu AJ 1300 92 Bảng 4.4 Thông số bộ nghịch lưu. Hình 4.5 Bộ biến tần sử dụng trong hệ thống. Điện áp định mức đầu vào 24V Plage de tension d’entrée 21V – 32 V Công suất liên tục (25oC) 1000 VA Công suất trung bình trong 30 phút(25°C) 1300 VA Công suất trung bình trong 5 phút (25°C) 2000 VA Công suất trung bình trong 5 giây(25°C) 2800 VA Dòng ngắn mạch Isc 13 A Trọng lượng 8.5 kg Kích thước: L x l x h 142 x 428 x 84(mm) 93 94 95 96 97 4.2 Vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập AA10-121107_ISOLE: Hình 4.6 Sơ đồ đấu dây của tủ điều khiển. 98 Hình 4.7 Sơ đồ đấu dây bộ BP controller. 4.2.1 Trình tự vận hành tủ điều khiển: - Kiểm tra và ngắt tất cả các khóa đóng ngắt trong tủ điện, đóng nút nhấn S0 lại. - Đóng khóa Q6 để khởi động bộ điều khiển BP. - Nếu chỉ muốn sử dụng nguồn acquy ta đóng khóa U-Q2 trước sau đó đóng Q2. - Nếu muốn sử dụng nguồn pin mặt trời ta ngắt khóa Q2, đóng khóa U-Q1 sau đó đóng Q1 và Q3. - Để nạp vào acquy ta đóng khóa U-Q2, đóng Q2. - Cung cấp cho phụ tải DC ta đóng Q4 trước, tùy vào phụ tải được đấu nối với đầu cáp nào mà đóng các khóa Q8, Q9, Q10. - Để khởi động Inverter ta đóng cầu dao Q7. - Cung cấp cho phụ tải AC ta đóng Q5 trước, tùy vào phụ tải được đấu nối với đầu cáp nào mà đóng các khóa Q11, Q12, Q13. - Khi ngắt điện ta lần lượt ngắt tất cả các khóa đóng cắt cung cấp cho phụ tải. Ở nguồn AC lần lượt ngắt Q5 rồi ngắt Q7. Ở nguồn DC lần lượt ngắt Q4, Q2, U-Q2, Q3 rồi ngắt Q1. Ngắt nguồn DC cung cấp cho bộ điều khiển (ngắt Q6) 4.2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển BP-GM: 99 BP-GM là một thiết bị điều khiển quản lý năng lượng, với quá trình thu nhận dữ liệu có thể được sử dụng trong quang điện hay hệ thống năng lượng Mặt Trời khác ( tổ máy điện, máy phát, tự động hóa hỗn hợp). BP-GM được điều khiển bằng 3 nút bấm: Nhiệm vụ : - Đóng ngắt các khóa dựa theo điện áp mà ta cài đặt. - Đo dòng điện, điện áp, công suất. - Lưu trữ dữ liệu và truyền về máy tính. Thiết bị BP-GM gồm có: - 8 kênh ngõ ra - 7 đại lượng đo. - 2 đầu vào số - 2 RS 232 Hình 4.8 Bộ điều khiển BP-GM. Các kênh đo lường: - I1 = dòng điện của PV ( pin quang điện). - I2 = dòng điện sản xuất phụ trợ ( đơn vị tổng quát). - I3 = dòng điện 1 đang hiện hành ( sơ cấp). - I4 = dòng điện 2 đang hiện hành( thứ cấp). - Đầu vào dùng đo lường nhiệt độ (T1) trên cảm biến ngoài của PT 1000. Cho phép chọn thao tác cài đặt Di chuyển lên xuống 100 - Đầu vào đo cường độ bức xạ mặt trời( E1) trên BP Solar. Vbat / Vb Điện áp acquy Ibat + Dòng điện nạp vào acquy Ibat - Dòng điện ra của acquy I1: Prod1/Ip1 Dòng điện DC từ tấm pin Iutil1/Iu1 Dòng điện DC 1 (sơ cấp) Iutil2/Iu2 Dòng điện DC 2(thứ cấp) Tmp/T Nhiệt độ của acquy Bảng 4.5: Các kí hiệu hiển thị trên màn hình BP –GM. Thiết bị BP – GM có 2 Mode làm việc: ¾ Mode “dialogue”: cho phép người sử dụng kích hoạt BP-GM. ¾ Mode “Operational”:điều khiển và thu nhận dữ liệu, dữ liệu được thể hiện trên màn hình LCD. Bảng 4.6 Các menu chính trong BP-GM. Menu Mô tả A : case info Thông tin : -Phiên bản và số seri. -Site number và điện áp mặc định. -Phân bố các kênh ngõ ra và nhiệt độ bù. -Phân bố hoạt động của các kênh đo. B : data info Dữ liệu theo hàng ngày(trung bình, lớn nhất, nhỏ nhất) kéo dài 2 tháng gần nhất và dữ liệu hàng tháng kéo dài 2 năm trước. C :settings -Cài đặt các tham số của 8 chức năng gán cho 8 kênh ngõ ra và 2 chức năng ảo. -Cài đặt ngày giờ. D : output tests Kiểm tra vận hành của đầu ra (relay) E : manual ctrl Tích nạp điện cân bằng hoặc kích hoạt hàm chức năng. F : configuration Thay đổi thông số vào : -site number, điện áp,… -Điều khiển (8 kênh ngõ ra ,2 kênh ảo),ngưỡng nhiệt độ bù và loại acquy -Nhiệm vụ kênh đo( song song, hoạt động,..) G :background Hiển thị lại 21 thao tác vận hành gần nhất trong hệ thống. H : reset data Reset dữ liệu bộ nhớ. 101 Cách vào menu và sub –menu: ¾ Đầu tiên màn hình sẽ hiển thị: ƒ Ngày / giờ / năm hiện hành. ƒ Điện áp acquy (Vb), nhiệt độ (T). ƒ Dòng điện và công suất nhận được của panel (Ip1(A), P(W)). ƒ Dòng điện tải DC và công suất nhận được ( Iu1(A), P(W)). Hình 4.9 Giao diện đầu tiên của BP –GM. Vào mode dialogue bằng cách nhấn 1lần nút bấm .Main menu xuất hiện. Nếu muốn vào các menu khác thì tiếp tục nhấn phím , lần lượt các menu khác sẽ xuất hiện. Dòng, công suất pin MT Ngày, giờ Dòng, công suất acquy 102 Hình 4.10 Giao diện menu A. 103 - Menu C : Để vào menu C ta phải nhập mã code :Ngày x tháng = xyz => code =zyx. Hình 4.11 Giao diện menu C. 104 Hình 4.12 Giao diện menu D. 105 Hình 4.13 Giao diện menu E. 106 Hình 4.14 Giao diện menu F. 4.2.3 Vận hành bằng Datapex: 107 4.2.3.1 Giới thiệu Datapex: - Datapex cho phép kiểm tra hoạt động của những tham số đo được dạng µDatas hoặc BP-GM. - Chương trình này tương thích với µDatas phiên bản 3.1 và cao hơn với BP- GM. Nó tương tự như cấu hình tự động của µfonctions điều khiển tự động, từ phiên bản 4.1 và cao hơn. - 2 kiểu kết nối tự động: o Nối tiếp RS232. o Remode qua hệ thống điện thoại và một modem. 4.2.3.1Thao tác vận hành : - Nếu là lần đầu tiên cài đặt ta cần phải nhập số seri number. Hình 4.15 Nhập số seri number. -Name : ADMIN -Password : valid 108 Hình 4.16 Đăng nhập và chọn đường dẫn. Hình 4.17 Cửa sổ làm việc chính. 109 Hình 4.18 Nhập site number, site name, địa chỉ, số điện thoại, ngày tháng năm. Hình 4.19 Nhập các thông số kĩ thuật của acquy. 110 Hình 4.20 Chọn thiết bị,nhập số seri của BP- GM. . Hình 4.21 Pin quang điện, acquy, tải, BP-GM kết nối. -Vào menu Communication / Connecttion 111 Hình 4.22 Chọn cổng kết nối. Hình 4.23 Chọn tốc độ bauds. Hình 4.24 Kết nối BP-GM. Nếu kết nối thành công biểu tượng BP- GM sẽ xuất hiện trên giao diện: 112 Hình 4.25 Kết nối thành công. Sau đó chọn biểu tượng Reading sẽ xuất hiện cửa sổ Real time paramters reading: Hình 4.26 Các giá trị Ip1, P, Iu1, P của pin và tải. Đóng ngắt S3, S7, chọn biểu tượng Text – mode hoặc vào menu Communication TestMode. 113 Hình 4.27 Ngắt khóa S3, S7. Hình 4.28 Chọn kiểu điện áp acquy, ngày giờ. 114 Hình 4.29 Chọn kiểu acquy S3, S7. Hình 4.30 Chọn giá trị dòng I1, I3. 115 Hình 4.31 Xem cài đặt BP-GM. Đóng lại, sau đó chọn Retrieval, xuất hiện cửa sổ BP – GM Data retrival, chọn ngày giờ bắt đầu và kết thúc. Hình 4.32. Chọn ngày giờ bắt đầu và kết thúc vận hành. Hình 4.33. Kết nối dữ liệu. 116 Hình 4.34 Chọn ngày, tháng, năm hiển thị. Hình 4.35 Đồ thị điện áp acquy. Biểu đồ cho thấy điện áp acquy 24V ổn định từ 0h – 15h. 117 Hì nh 4.36 Đồ thị dòng điện của pin quang điện. Dòng cung cấp của pin quang điện( cột màu vàng) Hình 4.37 Đồ thị dòng điện pin quang điện và tải. -Dòng của tải tiêu thụ(cột màu đỏ) -Dòng của pin quang điện (cột màu vàng) 118 Hì nh 4.38 Đồ thị dòng nạp, dòng phóng điện, dòng bão hòa của acquy. - Dòng nạp của acquy (cột màu vàng) - Dòng phóng điện của acquy( cột màu xanh). Dòng bão hòa của acqquy (cột màu đỏ). 119 Chương 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 5.1 Kết quả: 5.1.1 Kết quả khảo sát pin mặt trời: Khảo sát hai tấm pin mặt trời BP380 có VOC = 22,1 V ,ISC = 4,8V mắc nối tiếp với nhau và nối tiếp với một biến trở. Kết quả khảo sát trong các thời điểm khác nhau: Uoc = 38.3 (V) Isc = 2.75 (A) Ip1(A) U(V) P(W) R(Ω) 2.4 12 29 5 2.3 16 37 7 2.2 17.5 38 8 2.1 19.8 43 9.21 2 21 42 10.5 1.9 25 48 13 1.8 32 58 17.5 1.7 33 56 19.3 1.5 35 53 20.6 Bảng 5.1 Kết quả khảo sát lần 1(10h, ngày 29/5/08). Hình 5.1 Đồ thị V – A khảo sát lần 1. Dòng điện ngắn mạch Isc = 2.75A, điện áp hở mạch Uoc =38.3V, dòng điện và điện áp đạt cực đại (Imp =1.8A, Ump =32V). Uoc = 37.4(V) Isc = 2.2(A) Ip1(A) U(V) P(W) R(Ω) 2 20 40 10 1.8 24 43 12.4 1.7 32 54 18.8 1.6 32.5 52 20.3 1.3 33 43 25.4 1.1 34 37 31 120 Bảng 5.2 Kết quả khảo sát lần 2(10h 30’, ngày 29/5/08). Hình 5.2 Đồ thị V – A khảo sát lần 2. Dòng điện ngắn mạch Isc =2.2A, điện áp hở mạch Uoc = 37.4V, dòng điện và điện áp đạt cực đại (Imp = 1.7A, Vmp =32V). Uoc = 37(V) Isc = 3.1(A) Ip1(A) U(V) P(W) R(Ω) 2.8 15 42 5.4 2.7 22.6 61 8.4 2.4 31 74 13 2.2 31.8 70 14.5 1.8 33 59 18.33 1.1 35 38 32 Bảng 5.3 Kết quả khảo sát lần 3(11h, ngày 29/5/08). Hình 5.3 Đồ thị V – A khảo sát lần 3. Dòng điện ngắn mạch Isc =3.1A, điện áp hở mạch Uoc=37V, dòng điện và điện áp đạt cực đại (Imp = 2.4A, Ump =31V). Uoc = 34.5 (V) 121 Bảng 5.4 Kết quả khảo sát lần 4(11h 30’, ngày 29/5/08). Hình 5.4 Đồ thị V – A khảo sát lần 4. Dòng điện ngắn mạch Isc =3.2A, điện áp hở mạch Uoc=34.5V, dòng điện và điện áp đạt cực đại (Imp =2.7A, Ump =31V). Bảng 5.5 Kết quả khảo sát lần 5(12h, ngày 29/5/08). Isc = 3.2 (A) Ip1(A) U(V) P(W) R(Ω) 3 17 51 5.7 3.1 22 68 7 2.9 29 84 10 2.8 30 84 10.7 2.7 31 84 11.5 2.6 32 83 12.3 2.4 33 79 14 2 34 68 17 Uoc = 38 (V) Isc = 3.7 (A) Ip1(A) U(V) P(W) R(Ω) 3.5 19 67 5.5 3.4 26 88 7.6 3.3 28 92 8.5 3 30 90 10 2.7 31 84 11.5 2.4 32 77 13.33 2 33 66 16.5 1.5 34 51 22.6 1.2 35 42 29 122 Hình 5.5 Đồ thị V – A khảo sát lần 5. Dòng điện ngắn mạch Isc =3.7A, điện áp hở mạch Uoc =38V, dòng điện và điện áp đạt cực đại( Imp =3.3A, Ump =28 V). Bảng 5.6 Kết quả khảo sát lần 6(12h 30’, ngày 29/5/08). Hình 5.6 Đồ thị V – A khảo sát lần 6. Uoc = 38(V) Isc = 3.4 (A) Ip1(A) U(V) P(W) R(Ω) 3.2 17 54 5.3 3.1 30 93 9.6 2.8 31 87 11 2.6 31 81 12 2.4 32 77 13 2.2 33 73 15 2.1 33 69 16 1.9 34 66 18 1.8 34.5 62 19 1.5 35 54 23 1.4 35.5 50 25 1.2 36 43 30 123 Dòng điện ngắn mạch Isc =3.4A, điện áp hở mạch Uoc = 38V, dòng điện và điện áp đạt cực đại (Imp =3.1A, Ump =30V). 5.1.2 Kết quả phần thi công mạch: Mạch điện cấp cho tải là hai bình Acquy 12V, 3Ah mắc nối tiếp. Hình 5.7 Mạch nạp Acquy sau khi hoàn thiện. Hình 5.8 Tín hiệu kích IGBT sau khi qua bộ đệm. 124 Hình 5.9 Áp trên cuộn cảm L1. Hình 5.10 Áp trên cuộn cảm L2. Hình 5.11 Điện áp ngõ ra trên tụ C2. 125 Hình 5.12 Điện áp trên tụ C1. 5.2 Nhận xét: Phần mô phỏng: - Ưu điểm: Chương trình mô phỏng theo phương pháp mô hình hóa tất cả các linh kiện trong mạch điện, nên yêu cầu người dùng phải hiểu rõ về nguyên lý mạch mới thực hiện được. Nhờ vậy nên khi hoàn thành xong phần mô phỏng tôi đã hiểu cụ thể hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống pin mặt trời. - Khuyết điểm: Khi thực hiện mô hình hóa, nhiều linh kiện sẽ bị lượt bỏ, thay vào đó là các mô hình có tính chất tương đương. Như trong phần mô phỏng ở chương 2, Mosfet, tụ C1, cuộn cảm L1 đã bị lượt bỏ, thay vào đó là bộ MTF. Sau khi khảo sát xong các giá trị dòng áp ngõ vào và ngõ ra, ta không thể khảo sát được các giá trị dòng áp trên các linh kiện. Phần thi công mạch: - Ưu điểm: Kết quả đo thực tế trên mạch phù hợp với lý thuyết và kết quả đã mô phỏng. Vì thuật toán điều khiển là PID nên giá trị điện áp ngõ ra nhanh chóng xác lập với giá trị đặt. - Khuyết điểm: Công suất mạch nhỏ, chỉ có 70W. Khi nguồn điện từ pin mặt trời cung cấp không đủ cho tải (khi trời không quang đãng), Duty Cycle luôn ở giá trị tối đa nên làm cho mạch bị nóng. 5.3 Hướng phát triển: Phần mô phỏng: 126 Vì chương trình Bond-Graph có thể mô phỏng được nhiều mô hình điện, cơ và cả về hóa học. Mặt khác, trong luận văn trên mới chỉ mô phỏng về phần nạp acquy từ pin mặt trời nên hướng phát triển đề tài này còn rất lớn, cụ thể là: - Mô phỏng phần biến đổi DC-AC và hòa lưới. - Mô phỏng phần nuôi tải DC và AC. Ví dụ như nuôi tải động cơ máy bơm nước, động cơ một chiều xe điện dùng pin mặt trời… - Mô hình hóa học của acquy… Phần thi công mạch: - Với thiết kế của mạch hoàn toàn có khả năng lập trình thành bộ tối ưu công suất. Mạch điều khiển đã hoạt động tốt nên chỉ cần thay đổi mạch biến đổi công suất là có thể dùng cho những hệ thống có công suất lớn hơn. -Thi công phần mạch nghịch lưu nuôi tải AC và hòa lưới. -Thi công một ứng dụng cụ thể như xe chạy bằng năng lượng mặt trời, máy bơm nước dùng năng lượng mặt trời, tủ lạnh hoặc hệ thống máy lạnh cho vùng sâu, vùng xa, những vùng nắng nóng, hạn hán hoặc trên các tàu đánh bắt cá xa bờ… 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO. [1] Jan F. Broenink, “20Sim tutorial”, trường Đại học Twente, Hà Lan. [2] LAPLACE Toulouse, “The Causal Bond Graph: an efficient tool for energetic system design”, 2007. [3] Controllab Products B.V,” Getting Started with 20-sim”, 8/2005. [4] [5] Phan Quang Ấn, ”Luận văn thạc sĩ”, 2007. [6] TS Hoàng Dương Hùng,” Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và Ứng dụng”. [7] CRC Press LLC, “ADVANCED_DC-DC_CONVERTERS”, 2003. [8] Jaycar Electronics Reference Data Sheet, “DC-DC CONVERTERS: A PRIMER”. [9] William Chen, Simon Round and Richard Duke, “Design of an Auxiliary Power Distribution Network for an Electric Vehicle”. [10] www.alldatasheet.com. [11] www.vagam.dieukhien.net. [12] www.dientuvietnam.net. [13] Mukund R. Patel, Ph.D., P.E, “Wind and Solar Power Systems”. [14] Gilbert M. Masters, “Renewable and Efficient Electric Power Systems”, 2004. [15] ER120, Renewable Energy, “Stand Alone Photovoltaic System Design Principles”, 21/02/2002. [16] Bent Sorensen, “Renewable Energy” ,1997. [17] A. Goetzberger, V.U. Hoffmann, “Photovoltaic Energy Genearation”, 2005. [18] Tom Markvart and Luis Castaner, “Handbook of Photovoltaics”. [19] Tracy Dahl, “Photovoltaic Power Systems”, 1999. [20] M.A. Green, “Third Generation Photovoltaics”, 2003. [21] SolarHome.org [22] Luis Castaner and Santiago Silvestre, “Modelling Photovoltaic Systems using PSpice”, 2002. [23] Jeff Bishop, Jim Bales, Amy Smith, and Shawn Frayne,” The Photovoltaic Primer”. 128 PHỤ LỤC PHỤ LỤC I: PIC 18F8722 Họ vi điều khiển PIC18F8722 do hãng Microchip chế tạo và sản xuất với công nghệ hiện đại, xử lí tín hiệu số 16 bit, tích hợp nhiều tính năng phù hợp với nhiều ứng dụng lập trình hệ thống nhúng. Một số đặc điểm chính: - Công nghệ nanowatt tiêu tốn ít năng lượng. - 80 pin,7 port I/O tích hợp với nhiều tính năng khác - 3936 byte RAM dữ liệu - 1024 byte EEROM dữ liệu, có thể ghi 1.000.000 lần và lưu trữ trên 40 năm. - Có thể dùng thêm 2Mbyte bộ nhớ ngoài. - Quản lý năng lượng: hoạt động ở 7 chế độ khác nhau. Tùy vào từng ứng dụng khác nhau mà ta có thể lập trình cho MCU hoạt động ở các chế độ phù hợp để tiết kiệm năng lượng. - Xung nhịp có thể chọn từ nhiều nguồn khác nhau: +Thạch anh. +Dao động RC từ bên ngoài. +Dao động nội 8Mhz với mạch nhân tần số có thể nhân tần số lên 32Mhz. - Có thể truyền thông nối tiếp hoặc song song. +2 USART mở rộng. +2 module master SSP có thể dùng cho giao thức ISP hoặc I2C. +Truyền dữ liệu song song 8 bit giữa 2 MCU. - 30 nguồn ngắt với 2 mức ngắt. - 5 timer. - Watchdog timer với bộ chia thời gian 16 bit. - 2 module CCP (Compare/Capture/PWM) - 16 ngõ vào analog cho bộ A/D 10 bit - Bộ nhân 8*8 bằng phần cứng rất thích hợp cho việc xử lí số cần tính toán tốc độ cao. 129 Sơ đồ chân PIC 18F8722. 130 Các khối chức năng của PIC 18F8722. Nguồn dao động: Các bit FOCS0÷FOCS3 trong thanh ghi 1H xác định chế độ dao động nào được dùng cho MCU hoạt động. P18F8722 có thể hoạt động với nhiều chế độ khác nhau: ƒ Crystal Oscillator\Ceramic Resonator 131 Trong các chế độ LP, XT, HS, HSPPL, thạch anh được nối vào chân Osc1, Ocs2 để tạo bộ dao động : Cấu hình sử dụng thạch anh. Có thể dùng thạch anh lên đến 40MHz. Các tụ C1 và C2 thường dùng là 22pF. ƒ Dùng nguồn dao động bên ngoài: Trong các chế độ dao động EC và ECIO, nguồn nhịp được nối trực tiếp vào chân Ocs1. Trong chế độ EC thì Osc2 là ngõ ra của nguồn xung có tần số bằng ¼ tần số xung nhịp ở ngõ vào Ocs1. Cấu hình dùng dao động bên ngoài. ƒ Dao động RC: Trong trường hợp cần quản lý thời gian xư lý của MCU, ta có thể dùng nguồn dao động là dao động RC với 2 chế độ RC và RCIO. Tần số dao động phụ thuộc vào các yếu tố : VDD, REXT và CEXT. Cấu hình dùng dao động RC. 132 ƒ Dao động nội: Họ 18F có bộ tạo dao động bên trong với 2 ngõ ra có tần số khác nhau. - Ngõ ra chính là nguồn xung nhịp tần số 8MHz. - Nguồn xung còn lại là bộ dao động nội RC có tần số 31kHz. ƒ Các nguồn dao dộng: PIC18F8722 có thể sử dụng nhiều nguồn dao động khác nhau làm xung nhịp hoạt động. Sơ đồ khối nguồn dao động. Primary Oscillator: bao gồm chế độ dao động thạch anh bên ngoài, chế độ dao động RC bên ngoài chế độ nguồn xung nhịp bên ngoài và chế độ nguồn xung nhịp bên trong. Secondary Oscillator: nguồn dao động phụ này đươc cấp từ đồng hồ thạch anh (watch crystal 32.768kHz) bên ngoài thông qua chân T1OSO và T1OSI. Internal Oscillator Block: khi đang sử dụng nguồn dao động chính (Primary Oscillator), khối dao dộng nội có thêm một số tính năng khác như: Watchdog Timer(WDT) và Fail-Safe Clock Monitor. Tổ chức bộ nhớ: Họ 18F8722 sử dụng 3 loại bộ nhớ : - Bộ nhớ chương trình (Program memory). - Bộ nhớ RAM (Data RAM). - Bộ nhớ EEPROM(Data EEPROM). 133 ƒ Bộ nhớ chương trình: Địa chỉ bộ nhớ chương trình được quản lý bởi thanh ghi Program Counter (PC) 21 bit tương ứng với vùng nhớ lên đến 2Mbyte. P18F8722 chứa 128 kbyte bộ nhớ Flash, có thể chứa 35.536 mã lệnh 1-word. Địa chỉ Reset vector là 0000h và đại chỉ ngắt vector là 0008h và 0018h. Cấu trúc bộ nhớ chương trình và các vùng stack. ƒ Bộ nhớ dữ liệu RAM: Để dễ dàng quản lý, bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm từng vùng gọi là các bank, mỗi bank gồm 256 byte. P18F8722 có 16 banks được quản lý bởi thanh ghi địa chỉ 12bit. Bộ nhớ dữ liệu bao gồm các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFRs) và các thanh ghi đa dụng (GFRs). SFRs chứa các thông tin điều khiển, trạng thái hoạt đông trong khi GFRs được dùng làm các biến do người lập trình sử dụng. 134 Bản đồ bộ nhớ dữ liệu. ƒ Thanh ghi Status: Chứa các trang thái số học của ALU , tình trạng RESET và các bit lựa chọn bank cho dữ liệu bộ nhớ. STATUS có thể là đích cho bất kỳ lệnh nào, cũng như bất kỳ thanh ghi nào. Cần lưu ý là nếu Status là đích cho những lệnh mà có ảnh hương đến các cờ Z, DC, cà C thì việc ghi vào những bit này sẽ bị vô hiệu hoá. Các bit này được set hoặc clear tùy thuộc vào hoạt động logic của ALU. 135 Bit 7÷5 : không dùng. Bit 4: cờ dấu. N = 1 : kết quả tính toán âm. N = 0 : kết quả tính toán dương Bit 3 : cờ báo tràn. OV = 1: kết quả tính toán bị tràn. OV = 0: kết quả tính toán chưa bị tràn. Bit 2: cờ zero. Z = 1: kết quả tính toán số học hay logic bằng 0. Z = 0: kết quả tính toán số học hay logic không bằng 0. Bit 1: cờ mượn bit. DC = 1: có mượn bit ở nible đầu. DC = 0: không mượn bit. Bit 0: cờ bit số nhớ. DC = 1: có mượn bit ở bit có trọng số lớn nhất. DC = 1: không mượn bit. ƒ Bộ nhớ dữ liệu EEPROM: Bộ nhớ EEPROM được sử dụng để chứa các dữ liệu cần lưu trữ trong thời gian dài và không bị mất đi khi ngắt nguồn.Ta không thể truy cập trực tiếp bộ nhớ EEPROM mà phải thông qua các thanh ghi chức năng: EECON1, EECON2, EEDATA, EEADR, EEADRH. Việc ghi hoặc đọc EEPROM diễn ra ở điện áp bình thường (VDD). Để đọc EEPROM ta làm theo trình tự sau: - Ghi địa chỉ vào thanh ghi địa chỉ EEADRH:EEADR. - Clear bit cho phép truy cập bộ nhớ EEPROM -PGDEE (EECON1.7). - Set bit điều khiển đọc RD (EECON1.0). Byte dữ liệu cần đọc về được ghi và lưu trữ vào thanh ghi EEDATA ở chu kỳ lệnh kế tiếp cho đến khi một lệnh đọc hoặc ghi EEPROM khác xảy ra. Để ghi EEPROM : - Ghi địa chỉ vào thanh ghi địa chỉ EEADRH:EEADR. - Nạp dữ liệu vào thanh ghi EEDATA. - Clear bit cho phép truy cập bộ nhớ EEPROM -PGDEE (EECON1.7). - Set bit cho phép ghi WREN. - Set bit điều khiển ghi WR. Chú ý là trong quá trình ghi ta nên cấm tất cả các ngắt. 136 Các thanh ghi chức năng liên quan đến bộ nhớ EEPROM Các thanh ghi chức năng liên quan đến bộ nhớ EEPROM Bộ nhân bằng phần cứng (Hardware Multiplier) Trong các ứng dụng xử lí số tín hiệu, thời gian tính toán là một yếu tố quan trọng. Nhằm tăng khả năng tính toán, P18F8722 có tích hợp bộ nhân bằng phần cứng hai số 8bit không dấu, kết quả trả về 16bit. Với bộ nhân bằng phần cứng này, phép nhân được thực hiện trong một chu kì lệnh. Điều này cho phép ta giảm mã lệnh lập trình cũng như thời gian tính toán. Bảng so sánh thời gian thực hiện phép nhân bằng phần cứng và phần mềm . 137 Ngắt P18F8722 có nhiều nguồn ngắt với hai mức ngắt. Vector ngắt ưu tiên có địa chỉ 0018h và vector ngắt không ưu tiên có địa chỉ 0008h. Các thanh ghi kiểm soát hoạt động ngắt: - RCON - NTCON, INTCON2, INTCON3 - PIR1, PIR2, PIR3 - PIE1, PIE2, PIE3 - IPR1, IPR2,IPR3 Các nguồn ngắt và mức ngắt.