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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (282.71 KB, 7 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

NGHIêN CứU Và CảI THIệN TíNH ổN định

động học của bộ biến đổi FLYBACK TRONG

Hệ thống điện mặt trời

PHNG QUANG KHI, NGUYN VĂN THUẤN

Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu, xây dựng mơ hình tốn của bộ biến đổi flyback ứng 
dụng trên hệ thống điện mặt trời cũng như phân tích các đặc tính làm việc của hệ 
thống. Những vấn đề khi thực hiện bài toán tổng hợp hệ thống như việc xuất hiện 
nghiệm nằm bên phải mặt phẳng phức (Right half plane zero) gây ra những hạn chế 
trong điều chỉnh ổn định hệ thống nói riêng và chất lượng hệ thống nói chung đã 
được bài báo phân tích, giải quyết, minh họa bằng các kết quả mơ phỏng.

Từ khóa: Bộ biến đổi flyback, Điều khiển flyback, Hệ thống điện mặt trời. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống điện mặt trời bao gồm các 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 áp
của tấm pin thành các dạng điện áp khác nhau cung cấp cho các hộ tiêu thụ. Bộ biến đổi
điện áp từ một chiều sang xoay chiều hình sin có cấu trúc như hình 1 là một trong các bộ
biến đổi được nghiên cứu phổ biến hiện nay, ứng dụng cho các hệ thống điện mặt trời
công suất vừa và nhỏ. Trong đó, bộ biến đổi DC-DC sẽ biến nguồn điện một chiều điện áp
thấp, không điều khiển thành nguồn điện một chiều điện áp cao có điều khiển, dạng hình
bán sin. Bộ biến đổi DC-AC biến đổi nguồn một chiều dạng bán sin thành nguồn xoay
chiều hình sin. Các nghiên cứu về bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống điện mặt trời được
tập trung chủ yếu vào các bộ biến đổi buck, boost, buck-boost, flyback [1], [2].

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

Bộ biến đổi flyback là nội dung được bài báo đề xuất nghiên cứu ở đây, nó là bộ biến
đổi với các đặc điểm như cấu tạo nhỏ gọn, điều khiển đơn giản, cách ly về dòng điện, độ
tin cậy cao…là một sự lựa chọn tốt để ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời.

Các nghiên cứu, giải pháp nâng cao chất lượng của hệ thống điện mặt trời được tập
trung vào các hướng sau: (1) - cấu trúc hệ thống nhằm giảm thiểu những tổn hao, nâng cao
công suất [3], [4]; (2) - các phương pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển
của hệ thống [5], [6]. Bài báo tập trung nghiên cứu theo hướng thứ hai, nâng cao chất
lượng của bộ biến đổi flyback theo hướng đáp ứng với hệ thống điện mặt trời nối lưới.
Xuất phát từ yêu cầu của hệ thống điện mặt trời (hiệu suất biến đổi, độ méo dạng, độ tin
cậy làm việc cao...), nghiên cứu đưa ra mơ hình tốn của hệ thống, từ đó phân tích đặc
điểm động học của nó trong q trình làm việc và đưa ra phương án điều khiển thích hợp.

2. MƠ HÌNH TỐN VÀ SỰ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG
2.1. Nguyên lý làm việc của bộ biến đổi flyback

DC-DC

KHỐI ĐIỀU KHIỂN

LƯ

ỚI

IPV VPV

DC-AC LỌC

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

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 khơng đổi đặt lên LP, trong cuộn LP xuất hiện
dịng 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 dịng khơng đổi, điện áp ra bằng điện áp trên tụ.

Hình 2. Sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi flyback.

Khi chuyển mạch M khơng dẫn, dịng 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 dịng
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 hịa 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 dịng 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 dịng thứ cấp sẽ có đỉnh dịng cao hơn và độ

Hình 3. Tín hiệu của flyback 
ở chế độ CCM. 
iLs

iLp

ILp

ILs

ILp1

ILp2

ILs2

ILs1

ILp3

ILs3

VLs Z Vout

M
uGS

Vpv VLp

Lp LS 
iLs
iLp

C
1:n

iout

Hình 4. Tín hiệu của flyback 
ở chế độ DCM. 
iLs

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

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 vịng lặp thì
dịng 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 vịng điều khiển thì
lúc đó hệ thống sẽ khơng 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 tốn 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 khơng 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 dịng điện đảm bảo hệ thống ln 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 dịng 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.

MT Grid

Vout Vgrid
VL

Đ
VLs

M
uGS
Vpv

VLp

Lp L

iLs
iLp

C
1: n

Vout
iout Lf Rf

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

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 mơ tả tốn học của hệ thống như sau:

+ Khi M dẫn, Đ không dẫn: + Khi M không dẫn, Đ dẫn:
P Lp pv

f out out out f grid

out out

L i

v

L i

v

i R

v

Cv

i

 





 







  



(1)

out
P Lp

f out out out f grid

Lp
out out

v
L i

n

L i v i R v

i

Cv 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 mơ tả tốn học của hệ thống như hệ phương trình sau:

. '.( )

out
P Lp pv

f out out out f grid

Lp

out out out

d v

L i d v

n

L i v i R v

i

Cv d i d i

n



  





   




     






. '.

. '

( )

pv out
Lp

P P

out f grid
out

out

f f f

Lp
out

out out

v d d v

i

L nL

i R v

v
i

L L L

i

d i d

v i

C C n



  






   





     




(3)

Hệ phương trình (3) là hệ phương trình trạng thái của hệ thống
+ Véc tơ biến trạng thái là: x = [x1 x2 x3]

; 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

x

f x u

x

f x u

 





 



  



 x  f x u( , ) (4)

Hệ phương trình (3) là một hệ phi tuyến, chúng ta thực hiện tuyến tính hóa, xấp xỉ mơ

hình phi tuyến thành nhiều mơ 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 tốn 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:

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

trong đó, f(X, U) = 0

A = f x u( , )

x

 =
P
'
0 0
L
1
0
' 1
0
nC

f
f f
nD
R
L L
D
C
 

 
 
 

 
 
 

 
 

, B= f x u( , )

u

 =
Lp
( )
0
1
0 0

0 0
nC
PV out
P P
f

nV V D

nL L
L
I
  
 
 
 

 
 
 
  
 
.

Ta ký hiệu

ˆx

 

x

X

u

ˆ

 

u U

thì suy ra (4) có dạng:

x

ˆ

 

Ax

ˆ



Bu

ˆ

(6)

'

0 L

ˆ

'

ˆ

1 ˆ

'

0

ˆ

'

ˆ

'

1

0 nC

Lp Lp
f
out out
f f
out out

nD

i

R

i

L

v

D

C





















































































+
Lp

(

)

0 ˆ

1 ˆ

0 ˆ

0 nC

PV out
P P
pv
f
grid

nV

V

D

nL

L

d

v

L

v

I













 





 







 





 





















(7)

Hoặc (7) có thể viết lại như sau:

'

0 L

ˆ

'

ˆ

1 ˆ

'

0

ˆ

'

ˆ

'

1

0 nC

Lp Lp

f
out out
f f
out out

nD

i

R

i

L

v

D

C





















































































+
Lp
( )

0
1
ˆ ˆ ˆ
0 0
0
0
nC
PV out
P P
pv grid
f

nV V D

nL L

d v v

L
I

   
 
   
 
   
 
  
   
 

   
 
    
 
 
   
 
(8)

= AxˆB d1ˆB v2ˆpvB v3ˆgrid= AXB U1 1B U2 2B U3 3 (9)
Tương tự dễ dàng ta có được phương trình trạng thái đầu ra:

yiˆout Cˆx 





ˆ 0 1 0 ˆ

ˆ
Lp
out out
out
i
i i
v
 
 
  
 
 
(10)

Hai phương trình (7) và (10) là mơ hình xấp xỉ tuyến tính thay thế cho mơ 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 dịng điện nhằm kiểm sốt chặt chẽ dịng 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


</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

G(s) =

2
2

3 2

P f

'( )

D' 1

( )

CL L

pv out Lp

P f f

f f

f f P

D nV V I

s

n CL L nCL

R R

s s s

L CL CL




   

(11)

Dễ dàng thấy được hệ thống có một điểm khơng 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 dịng điện là khơng 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 dịng 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.

ˆ

pv

v

Bộ biến đổi
ˆ

d
GPI(s)

Go(s)

Gin(s)

ˆ

out

v

ˆ
out

i

ˆout
v

ˆ

pv

v

He(s)

ˆ

out

i

ef
ˆ

r
i

feedback

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

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

n z

s s

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 2

2
3 2

P f

'( )

( )( )(1 )

D' 1

( )

CL L

pv out Lp

P f f

I
P

f f n z n

f f P

D nV V I

s

n CL L nCL

K s s

K

R R

s Q

s s s

L CL CL






  

   

(15)

Mơ 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.

</div>

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