Duy trì tuổi thọ cho bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời
Những khó khăn trong việc lắp đặt hệ thống bù công suất phản kháng
Các hệ thống phụ trợ ngày càng đòi hỏi các bộ nghịch lưu (bộ biến đổi dòng điện một chiều DC sang dòng xoay chiều AC) (inverter) kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời với các hệ thống phát điện phân tán khác vào lưới điện có khả năng bù công suất phản kháng để giúp duy trì sự ổn định của lưới điện.
Tuy nhiên, tạo ra công suất phản kháng làm tăng ứng suất nhiệt lên các bộ nghịch lưu, làm giảm tuổi thọ của chúng.
Các nhà nghiên cứu của Đại học Pittsburgh sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS để mô tả đặc điểm điện tử và nhiệt của biến tần trước giai đoạn tạo ra nguyên mẫu, nhằm hỗ trợ các nhà thiết kế đưa ra quyết định tốt hơn trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển sản phẩm.
Hơn 55 GW năng lượng mặt trời hiện đã được lắp đặt tại Mỹ, đủ cung cấp cho hơn 10 triệu gia đình. Nhưng việc kết nối tất cả năng lượng mặt trời này với lưới điện gặp phải những thách thức đặc biệt.
Khi có một đám mây có thể làm giảm năng lượng được tạo ra bởi một mảng pin mặt trời, năng lượng được gửi tới lưới điện có thể giảm, dẫn đến mất ổn định điện áp, khiến đèn bị nhấp nháy và thiết bị nhạy ngừng hoạt động.
Để giải quyết vấn đề này, các hệ thống phụ trợ có thể cần đến để các nhà máy năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng phản kháng để duy trì hoặc bù điện áp cho những nhiễu loạn này.
Công suất phản kháng được tạo ra khi có sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp hình sin. Công suất phản kháng không thể được sử dụng để cấp điện cho các thiết bị điện như công suất thực, nhưng nó có thể làm tăng hoặc giảm điện áp lưới để hỗ trợ việc điều chỉnh lưới điện.
Các bộ nghịch lưu sẽ làm tăng công suất phản kháng trên lưới điện tăng đáng kể tải nhiệt của nó, do đó làm giảm tuổi thọ dự kiến của thiết bị.
Các nhà nghiên cứu của Đại học Pittsburgh đã diễn giải một phương pháp để dự đoán nhiệt độ trên các thiết bị tải điện có sử dụng các bộ nghich lưu, giúp tối ưu hóa thiết kế của nó trước khi chế tạo nguyên mẫu.
Đầu ra từ mạch thử nghiệm mô phỏng được sử dụng để xác nhận mô hình điện của thiết bị điện công suất
Tránh những hỏng hóc sớm của các bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời
Thế hệ các bộ nghịch lưu thông minh mới nhất được thiết kế để hỗ trợ lưới điện, chẳng hạn như bằng cách khắc phục nhiễu loạn lưới điện thông qua bù công suất phản kháng.
Việc thực hiện bù phản kháng có thể tạo ra thêm tổn hao công suất thiết bị do sự tăng nhiệt độ lớp tiếp giáp của các chất bán dẫn linh kiện công suất của bộ nghịch lưu. Các bộ nghịch lưu tạo ra dòng điện có tần số 50Hz (60Hz) để phù hợp với tần số của dòng điện xoay chiều.
Khi các vật liệu chế tạo linh kiện điện tử công suất thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ, ứng suất nhiệt được sẽ tạo ra tại các mặt tiếp xúc giữa các vật liệu với hệ số giãn nở nhiệt khác nhau.
Nếu số lượng và cường độ của ứng suất nhiệt đủ cao, hiện tượng mỏi nhiệt có thể xảy ra tại mặt phân cách, khiến thiết bị bị hỏng.
Một phép ẩn dụ hữu hiệu giúp nắm bắt khái niệm của nguyên nhân vật lý gây hỏng thiết bị là sự uốn cong lặp đi lặp lại của một đoạn dây kim loại. Cuối cùng đoạn dây sẽ hỏng do bị uốn cong quá nhiều.
Đối với linh kiện transistor lưỡng cực cực cổng cách ly (), các vấn đề hỏng hóc tiềm ẩn bao gồm nứt vỡ các mối hàn của tấm đế hoặc mối hàn chip và sự nhô lên của các dây hàn.
Tốc độ xuống cấp của một linh kiện điện tử công suất có liên hệ với độ sâu của chu kỳ nhiệt cũng như nhiệt độ trung bình của lớp tiếp giáp chất bán dẫn.
Theo truyền thống, các chất bán dẫn công suất được mô hình hóa như các mạng trở kháng nhiệt bao gồm các phần tử điện trở (R) và tụ điện (C) được kết nối song song để thể hiện sự dẫn nhiệt qua các lớp vật liệu khác nhau.
Mỗi nút trong mạng trở kháng nhiệt đại diện cho mặt phân cách giữa hai vật liệu khác nhau, chẳng hạn như miếng silicon đến các gói linh kiện, gói cho tản nhiệt và tản nhiệt ra môi trường bên ngoài.
Thách thức với phương pháp này là việc xác định các hằng số RC cho từng lớp vật liệu đòi hỏi phải xây dựng mạch thử nghiệm nguyên mẫu và thực hiện một loạt các thí nghiệm vật lý nhàm chán và tốn kém để xác định các hằng số này cho từng lớp vật liệu trong mô đun công suất bán dẫn.
Trong quá trình thiết kế, nhiều nguyên mẫu khác nhau phải được xây dựng và thử nghiệm để đánh giá từng phương án thiết kế khác nhau. Toàn bộ quá trình này tiêu tốn nhiều nỗ lực cho chỉ một chất bán dẫn công suất điển hình.
Mạng RC được sử dụng để mô tả khả năng kháng nhiệt của bán dẫn công suất
Mô hình trở kháng nhiệt tức thời dựa trên các phép đo bảng dữ liệu nhập vào
Định rõ đặc tính thiết bị dựa trên bảng dữ liệu đo lường
Các nhà nghiên cứu của Đại học Pittsburgh đã sử dụng mô phỏng hệ thống đa miền (hiện có trong ANSYS Twin Builder) để phát triển các mô hình thiết bị nhiệt điện cho transistor hiệu ứng trường bán dẫn ô xít kim loại () CREE C2M0040120D và dựa trên Si Infineon IKW40T120.
Sử dụng mô phỏng đặc tính hóa thiết bị giúp loại bỏ việc phải xây dựng một nguyên mẫu và thí nghiệm vật lý để quan sát động lực học nhiệt độ.
Việc loại bỏ này là khả thi nhờ tính toán tham số mạng RC dựa trên các phép đo mạch kiểm định dữ liệu do nhà sản xuất thiết bị cung cấp.
ANSYS cung cấp một thư viện cấp hệ thống cho , và đi-ốt để đánh giá nhanh các thuật toán điều khiển và trạng thái của mạch.
ANSYS cung cấp một thư viện cấp hệ thống cho , và đi-ốt để đánh giá nhanh các thuật toán điều khiển và trạng thái của mạch.
Họ đã sử dụng tiện ích quét bảng dữ liệu dành cho các công cụ đặc tính hóa trong mô phỏng hệ thống để nhập các đường cong trở kháng nhiệt từ các bảng dữ liệu của linh kiện điện tử.
Sau đó, trình mô phỏng hệ thống tự động tính toán các tham số mô hình mạng trở kháng nhiệt cho từng cấp của linh kiện.
Nhiệt độ lớp tiếp giáp của SiC được tính toán cho các yêu cầu tải khác nhau
Tuổi thọ thiết bị là hàm số của chu kỳ nhiệt độ lớp tiếp giáp. Biểu đồ được cho phép của SKRON International GmbH.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã đánh giá các cấu hình thiết kế khác nhau để tối ưu hóa sự biến đổi quan trọng giữa hiệu suất công suất phản kháng và tuổi thọ linh kiện.
Những mô hình linh kiện này đã được sử dụng thành công để hỗ trợ các nỗ lực nghiên cứu tại Đại học Pittsburgh trong việc đánh giá tác động của các tính năng của lưới điện thông minh đến độ tin cậy của các bộ biến đổi trong lưới điện.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng dự đoán chính xác hiệu suất điện và nhiệt của các thiết bị này. Họ đã có thể định lượng được sự gia tăng tốc độ suy giảm của thiết bị nhằm cung cấp một mức bù phản kháng nhất định.
Điều này giúp quan sát sự biến đổi giữa hiệu suất phản kháng và tuổi thọ của thiết bị trong một phần nhỏ thời gian cần thiết so với các phương pháp thông thường.
Nguồn : ansys.com
Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc. " hoặc "Theo www.advantech.vn " nếu bạn muốn phổ biến thông tin này.
- Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này