Nghiên cứu và cải thiện tính ổn định động học của bộ biến đổi flyback trong hệ thống điện mặt trời

Như vậy nếu có nhiễu (thay đổi tải hoặc điện áp vào) làm cho dòng thứ cấp giảm xuống, điều này làm cho mạch vòng điều chỉnh sẽ thực hiện tăng độ rộng xung khiển, dòng điện sơ cấp sẽ [r]

NGHIêN CứU Và CảI THIệN TíNH ổN định

động học của bộ biến đổi FLYBACK TRONG

Hệ thống điện mặt trời PHÙNG QUANG KHẢI, NGUYỄN VĂN THUẤN

Túm tắt: Bài bỏo nghiờn cứu, xõy dựng mụ hỡnh toỏn của bộ biến đổi flyback ứng dụng trờn hệ thống điện mặt trời cũng như phõn tớch cỏc đặc tớnh làm việc của hệ thống Những vấn đề khi thực hiện bài toỏn tổng hợp hệ thống như việc xuất hiện nghiệm nằm bờn phải mặt phẳng phức (Right half plane zero) gõy ra những hạn chế trong điều chỉnh ổn định hệ thống núi riờng và chất lượng hệ thống núi chung đó được bài bỏo phõn tớch, giải quyết, minh họa bằng cỏc kết quả mụ phỏng

Từ khúa: Bộ biến đổi flyback, Điều khiển flyback, Hệ thống điện mặt trời

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống điện mặt trời bao gồm cỏc thành phần cơ bản là: (1) - pin mặt trời, biến năng lượng mặt trời thành điện năng (điện một chiều); (2) - bộ biến đổi điện, biến đổi điện ỏp của tấm pin thành cỏc dạng điện ỏp khỏc nhau cung cấp cho cỏc hộ tiờu thụ Bộ biến đổi điện ỏp từ một chiều sang xoay chiều hỡnh sin cú cấu trỳc như hỡnh 1 là một trong cỏc bộ biến đổi được nghiờn cứu phổ biến hiện nay, ứng dụng cho cỏc hệ thống điện mặt trời cụng suất vừa và nhỏ Trong đú, bộ biến đổi DC-DC sẽ biến nguồn điện một chiều điện ỏp thấp, khụng điều khiển thành nguồn điện một chiều điện ỏp cao cú điều khiển, dạng hỡnh bỏn sin Bộ biến đổi DC-AC biến đổi nguồn một chiều dạng bỏn sin thành nguồn xoay chiều hỡnh sin Cỏc nghiờn cứu về bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống điện mặt trời được tập trung chủ yếu vào cỏc bộ biến đổi buck, boost, buck-boost, flyback [1], [2]

Hỡnh 1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điện mặt trời nối lưới

Bộ biến đổi flyback là nội dung được bài bỏo đề xuất nghiờn cứu ở đõy, nú là bộ biến đổi với cỏc đặc điểm như cấu tạo nhỏ gọn, điều khiển đơn giản, cỏch ly về dũng điện, độ tin cậy cao…là một sự lựa chọn tốt để ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời

Cỏc nghiờn cứu, giải phỏp nõng cao chất lượng của hệ thống điện mặt trời được tập trung vào cỏc hướng sau: (1) - cấu trỳc hệ thống nhằm giảm thiểu những tổn hao, nõng cao cụng suất [3], [4]; (2) - cỏc phương phỏp điều khiển nhằm nõng cao chất lượng điều khiển của hệ thống [5], [6] Bài bỏo tập trung nghiờn cứu theo hướng thứ hai, nõng cao chất lượng của bộ biến đổi flyback theo hướng đỏp ứng với hệ thống điện mặt trời nối lưới Xuất phỏt từ yờu cầu của hệ thống điện mặt trời (hiệu suất biến đổi, độ mộo dạng, độ tin cậy làm việc cao ), nghiờn cứu đưa ra mụ hỡnh toỏn của hệ thống, từ đú phõn tớch đặc điểm động học của nú trong quỏ trỡnh làm việc và đưa ra phương ỏn điều khiển thớch hợp

2 Mễ HèNH TOÁN VÀ SỰ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG 2.1 Nguyờn lý làm việc của bộ biến đổi flyback

DC-DC

KHỐI ĐIỀU KHIỂN

IPV VPV

DC-AC LỌC

VAC IAC f

Bộ biến đổi flyback có sơ đồ mạch điện cơ bản như hình 2 Bộ biến đổi flyback làm việc dựa trên sự đóng mở của chuyển mạch M, năng lượng được lưu trữ trong nửa chu kỳ đầu (Ton) trên cuộn sơ cấp (LP) sau đó sẽ được chuyển sang cho cuộn thứ cấp (LS) ở nửa chu kỳ sau

Khi chuyển mạch M dẫn, có một điện áp không đổi đặt lên LP, trong cuộn LP xuất hiện dòng điện tăng tuyến tính, năng lượng được lưu trữ trong cuộn dây Đi ốt D bị phân cực ngược, tụ C phóng ra tải với dòng không đổi, điện áp ra bằng điện áp trên tụ

Hình 2 Sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi flyback

Khi chuyển mạch M không dẫn, dòng trong cuộn LP giảm làm đảo chiều cực tính cuộn thứ cấp làm cho đi ốt Đ phân cực thuận, năng lượng lưu trữ trên cuộn thứ cấp nạp cho tụ, điện áp trên tụ tăng

Theo các tài liệu [7], [8] nếu dòng thứ cấp mà chưa kịp giảm về không trước khi M dẫn

ở chu kỳ tiếp theo, bộ chuyển đổi làm việc ở chế độ liên tục (CCM), hình 3 Nếu dòng điện thứ cấp mà giảm về không trước khi M dẫn ở chu kỳ tiếp theo thì mạch làm việc trong chế độ không liên tục (DCM), hình 4

Hệ thống điện mặt trời khi hòa đồng bộ lưới có thể làm việc ở cả hai chế độ CCM

và DCM, khi tải nhẹ thì làm việc ở chế độ DCM, khi tải nặng làm việc ở chế độ CCM

Hình 5 Hiện tượng khi flyback làm việc ở chế độ liên tục

Xét hệ thống làm việc ở chế độ CCM ta thấy: Giá trị trung bình dòng điện thứ cấp được thể hiện ở diện tích hình thang của IS (hình 5) Như vậy nếu có nhiễu (thay đổi tải hoặc điện áp vào) làm cho dòng thứ cấp giảm xuống, điều này làm cho mạch vòng điều chỉnh sẽ thực hiện tăng độ rộng xung khiển, dòng điện sơ cấp sẽ từ dạng ILp1 thàng ILp2 (hình 5), sẽ

có đỉnh cao hơn và độ rộng lớn hơn, do đó dòng thứ cấp sẽ có đỉnh dòng cao hơn và độ

Hình 3 Tín hiệu của flyback

ở chế độ CCM

iLs

iLp

ILp

ILs

ILp1

ILp2

ILs2

ILs1

ILp3

ILs3

Đ

M

uGS

Lp LS

iLs

iLp

C

1:n

PV

iout

Hình 4 Tín hiệu của flyback

ở chế độ DCM

iLs

iLp

rộng nhỏ hơn (từ ILs1 thành ILs2) Nhưng diện tích hình thang của dòng thứ cấp sẽ giảm xuống, như vậy hệ thống không điều chỉnh ổn định được, phải qua một số vòng lặp thì dòng trong cuộn cảm mới thiết lập lại được Hiện tượng đó nếu không được khắc phục sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điều khiển, có thể dẫn đến dao động

Chúng ta thấy rằng hiện tượng trên chỉ xảy ra khi tốc độ tăng của độ rộng xung khiển lớn hơn tốc độ tăng của dòng điện Hiện tượng đó được gọi là right-half-plane-zero (RHPZ) Nhưng nếu tốc độ tăng của dòng điện (độ dốc) mà lớn hơn tốc độ tăng độ rộng xung khiển hoặc lớn hơn nhiều lần, đáp ứng ngay sự điều chỉnh của vòng điều khiển thì lúc đó hệ thống sẽ không rơi vào tình trạng như trên (dạng dòng là ILp3, ILs3) Để thực hiện được điều này, bài báo đề xuất bổ sung thêm các khâu hiệu chỉnh vào hệ thống điều khiển 2.2 Phân tích động học bộ biến đổi flyback ứng dụng trong hệ thống điện mặt trời

2.2.1 Xây dựng mô hình toán của hệ thống

Từ hình 1 ta thấy khối DC-AC chỉ có nhiệm vụ lật cách bán chu kỳ một tín hiệu đầu ra của bộ DC-DC, do đó nó không ảnh hưởng đến các tham số của điện áp ra Vì vậy khi nghiên cứu động học hệ thống ta có thể bỏ khối này

Như đã nêu ở trên bộ biến đổi flyback được nghiên cứu là ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời nối lưới (lưới điện sẽ là tải của hệ thống điện mặt trời) Điện áp lưới điện là không

ổn định và nhằm kiểm soát chặt chẽ hơn về dòng điện nên hệ thống điện mặt trời được điều khiển ổn định dòng điện đảm bảo hệ thống luôn cấp cho lưới một công suất cho phép, điện áp của hệ thống thay đổi theo sự thay đổi của điện áp lưới điện (điện áp hệ thống điện măt trời thường cao hơn điện áp lưới một lượng nhỏ phù hợp)

Nói tóm lại dòng điện ra của hệ thống điện mặt trời sẽ được điều khiển ổn định về biên

độ và có pha trùng với pha điện áp lưới Nối giữa hệ thống điện mặt trời và lưới thường có

bộ lọc nó sẽ làm tăng chất lượng điện áp ra của hệ thống điện mặt trời Từ đó ta có sơ đồ mạch điện nguyên lý của hệ thống như hình 8

Hình 8 Sơ đồ mạch điện cơ bản của hệ thống điện mặt trời nối lưới

Để hệ thống điện mặt trời đưa được công suất tiêu tán lớn nhất có thể lên lưới thì trong điều khiển ta phải coi lưới như một tải thuần trở (Hình 8), nó được tính bằng tỷ số của điện

áp lưới hiệu dụng và dòng điện hiệu dụng được cung cấp từ hệ thống Điều đó có nghĩa là

ta phải điểu khiển để cho pha của dòng điện đầu ra của hệ thống phải trùng pha với điện áp lưới Nếu như vậy thì sự thay đổi tương quan giữa các đại lượng sẽ như thế nào? Điều này được chỉ ra trong giản đồ véc tơ hình 7 được xây dựng dựa trên sơ đồ nối lưới hình 6, thể hiện chiều và độ lớn của dòng điện ở đầu ra của hệ thống điện mặt trời, nó có thể được

Vout

VL

Iout Vgrid



Hình 7 Giản đồ véc tơ

Hình 6 Sơ đồ nối lưới

Vout Vgrid

VL

Đ

VLs

iC

RT

M

uGS

Vpv VLLp

p LS

iLs

iLp

C

1: n

Vout

iout Lf Rf

điều khiển bằng cách dịch pha () hoặc thay đổi độ lớn điện áp của điện áp ra của hệ thống điện mặt trời [9]

Hệ thống nghịch lưu sử dụng flyback như ở trên là một hệ phi tuyến Từ định luật Kirchhoff cho dòng và áp ta có mô tả toán học của hệ thống như sau:

+ Khi M dẫn, Đ không dẫn: + Khi M không dẫn, Đ dẫn:

 









(1)

out

P Lp

Lp

v

L i

n

i

n



  











(2)

Giả sử d là chu kỳ chuyển mạch khi dẫn (độ rộng xung), d' là chu kỳ chuyển mạch khi không dẫn (d'= 1 - d) Trong thực tế, bằng tác động điều khiển vào khóa M (Hình 8) thay đổi độ rộng xung khiển ta sẽ thực hiện quá trình điều chỉnh ổn định dòng điện cho hệ thống Tuy nhiên độ rộng xung d cũng chỉ được thay đổi trong giới hạn nhất định (≤ 0,6), nếu vượt quá giới hạn này hệ thống lại xuất hiện hiện tượng RHPZ

Kết hợp (1) và (2) ta có mô tả toán học của hệ thống như hệ phương trình sau:

'

out

Lp

d v

n

i

n















'.

Lp

out out

Lp out

i

v i

i

















(3)

Hệ phương trình (3) là hệ phương trình trạng thái của hệ thống + Véc tơ biến trạng thái là: x = [x1 x2 x3]T; x1 = iLp, x2 = iout, x3 = vout; + Véc tơ đầu vào: u = [u1 u2 u3]T; u1= d, u2 = vpv, u3 = vgrid;

+ Véc tơ đầu ra y = [iout];

ta có:

1 1

2 2

3 3

( , ) ( , ) ( , )

 





 



  



 x  f x u( , ) (4)

Hệ phương trình (3) là một hệ phi tuyến, chúng ta thực hiện tuyến tính hóa, xấp xỉ mô hình phi tuyến thành nhiều mô hình tuyến tính trong lân cận các điểm trạng thái làm việc được quan tâm chính của hệ phi tuyến (ví dụ như điểm trạng thái cân bằng hay điểm trạng thái dừng), lúc đó bài toán điều khiển phi tuyến được chuyển thành bài toán điều khiển tuyến tính [10]

Cụ thể ta giả sử hệ có các điểm làm việc dừng, cố định của hệ thống như sau:

+ X = [X1 X2 X3]T; X1 = ILp, X2 = Iout, X3 = Vout; + U = [U1 U2 U3]T; U1 = D, U2 = Vpv, U3 = Vgrid Xét hệ tại (u, x) thuộc lân cận của (U, X) với các khoảng cách |u - U|, |x - X| đủ nhỏ

Theo [10] ta phân tích f(x, u) thành chuỗi Taylor tại (u, x) rồi bỏ đi các thành phần bậc cao của (u - U), (x - X) ta sẽ được phương trình:

f(x, u)  f(X, U) + A(x - X) + B(u - U) (5)

trong đó, f(X, U) = 0

A = f x u( , )

x



P

'

L 1 0

0 nC

f

nD

R

D

C







, B= f x u( , )

u



Lp

0 1

nC

f

L I



Ta ký hiệu ˆx   x X, u ˆ   u Uthì suy ra (4) có dạng: x ˆ   Ax ˆ  Bu ˆ (6)

P

'

L

1

0 nC

f

nD

R

D

C





+

Lp

0 ˆ 1 ˆ

ˆ

nC

pv f grid

d v L v I



(7)

Hoặc (7) có thể viết lại như sau:

P

'

L

1

0 nC

f

nD

R

D

C





+

Lp

0 1

0

0 nC

f

L I



(8)

= Ax ˆ B d1ˆB v2ˆpvB v3ˆgrid=

1 1 2 2 3 3

AXB U B U B U (9) Tương tự dễ dàng ta có được phương trình trạng thái đầu ra:

yiˆout Cˆx   

ˆ

ˆ 0 1 0 ˆ

ˆ

Lp

out

i

v

 

 

 

  (10)

Hai phương trình (7) và (10) là mô hình xấp xỉ tuyến tính thay thế cho mô hình phi tuyến (3) Sai lệch (u - U) và (x - X) càng nhỏ thì tính chính xác của việc tuyến tính hóa càng cao

Hệ thống điều khiển đối với flyback có thể là điều khiển chế độ điện áp và điều khiển chế độ dòng [7], [8] Do đặc điểm dòng điện của flyback nên trong điều khiển người ta thường điều khiển hệ thống ở chế độ dòng điện nhằm kiểm soát chặt chẽ dòng điện tăng

độ tin cậy làm việc của hệ thống

Ta có hàm truyền của hệ thống là:

1

( ) ( )

( )

Y S

G s

U S



Từ (8) và (10) ta có hàm truyền của hệ thống là: G(s) = C(sI - A)-1B1, với I là ma trận đơn vị Các tham số phục vụ cho nghiên cứu là: Ro = 220, D = 0.6, Doff = 0.4, Vpv = 24V, n = 10, T = 20s, Lp = 0.05mH, C = 1F, Lf = 3mH, Rf = 10

G(s) =

2

2 2

3 2

D'

s





(11)

Dễ dàng thấy được hệ thống có một điểm không mà phần thực nằm ở nửa phải của mặt phẳng phức, giản đồ điểm zero-pole thể hiện trên hình 10

Hình 9 cho thấy độ dự trữ biên độ và độ dự trữ pha có giá trị âm (Gm = -104dB, Pm = -86.5deg) do đó hệ thống điều khiển kín của nghịch lưu nối lưới sử dụng flyback, phản hồi

âm đơn vị với dòng điện là không ổn định

2.2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển

Theo nguyên lý điều chỉnh theo sai lệch và tham khảo các tài liệu [11], [12], sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển dòng được xây dựng như hình 11, một bộ hiệu chỉnh (PI) được sử dụng để đạt được biên độ và tham gia vào điều chỉnh các đặc tính động học của hệ thống

GPI(s) = KP + KI/s (12)

Hình 11 Sơ đồ cấu trúc vòng điều chỉnh dòng cho hệ thống

Để tăng khả năng của hệ thống điều chỉnh đáp ứng khi có nhiễu, hệ thống được thêm vào các đại lượng bù trước (feed forward) điện áp ra và bù sau (feedback) điện áp một chiều vào (hình 11) Nhờ vậy khi có bất kỳ một nhiễu nào (có thể đo được) ảnh hưởng đến

Hình 9 Đặc tuyến tần số biên - pha

logarit của flyback

Hình 10 Giản đồ điểm zero-pole của

hàm truyền flyback

ˆpv

v

Bộ biến đổi

ˆ

d

GPI(s)

Go(s)

Gin(s)

ˆout

v

ˆ

out

i

ˆout

v

ˆpv

v

He(s) ˆ

out

i

ef ˆ

r

i

feedback

feed forward

điện áp vào và điện áp ra, nó sẽ bị loại trừ ngay một cách tốt hơn khi mà hệ thống không

có các đại lượng bù trước và sau Nhiệm vụ của các bộ bù thêm này là cung cấp một chu

kỳ tích cực dương ổn định D(t) và mạch điều chỉnh dòng chỉ việc bám theo đại lượng đặt bằng sai lệch d(t) đo được

Đại lượng điều khiển là: d(t) = D(t) + d(t) Hàm truyền hệ hở của hệ thống là:

G1(s) = GPI(s)*G(s)*H(s) (13) Theo [12], [13] để hệ thống có thế đáp ứng được với hệ số khuếch đại lớn tại một nửa tần số chuyển mạch thì khâu phản hồi H(s) là một hàm được cho bởi dạng gần đúng (14)

2 2 n

( ) 1

H s

Q

   ; với Qz = -2/π; ωn = π/Ts (14) Như vậy hàm truyền hở hệ thống hình 9 có dạng:

G1(s) =

2

3 2

D'

I P

s

K





(15)

Mô phỏng đặc tính biên độ, tần số logarit của hệ thống được mô tả bằng (15) được cho trong hình 12

Từ đồ thị hình 12 ta thấy hệ thống với sự bổ sung khâu hiệu chỉnh (PI), hệ thống điều chỉnh tự động dòng điện sẽ làm việc ổn định (Gm = 26,3dB, Pm = 39.7deg)

Đáp ứng quá độ của hệ thống ở hình 13, cũng cho thấy hệ từ trạng thái dao động khi chưa có PI chuyển sang hệ ổn định khi có PI, bằng cách thay đổi các tham số của PI chúng

ta sẽ có thấy chúng tác động mạnh đến các đặc tính động học của hệ thống Hình 13 cho thấy hệ điều chỉnh tự động có độ chính xác tương đối cao, độ quá chỉnh là 29%, thời gian quá độ tqđ = 0.909s

3 KẾT LUẬN Quá trình điều khiển hệ thống điện mặt trời rất phức tạp Do đặc điểm làm việc đặc trưng của phần tử flyback trong hệ thống, mà hệ thống làm việc ở các chế độ khác nhau khi có các thay đổi tác động vào hệ (như thay đổi tải, đầu vào thay đổi ) Đặc biệt sự xuất hiện của hiện tượng Right-half-plane-zero (RHPZ) làm giảm ổn định của hệ thống hoặc dẫn đến dao động, đòi hỏi hệ thống điều khiển phải có các khâu bổ sung, hiệu chỉnh đặc

Hình 12 Đặc tuyến tần số biên độ-pha logarit của với vòng điều chỉnh dòng điện

Hình 13 Đáp ứng quá độ của hệ thống

khi có thêm khâu PI