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

Bài báo nghiên cứu, xây dựng mô hình toán 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 mô phỏng. Mời các bạn tham khảo!

Nghiờn cu khoa hc cụng ngh NGHIêN CứU Và CảI THIệN TíNH ổN định động học biến đổi FLYBACK TRONG Hệ thống điện mặt trời PHNG QUANG KHI, NGUYỄN VĂN THUẤN Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu, xây dựng mơ hình tốn biến đổi flyback ứng dụng hệ thống điện mặt trời phân tích đặc tính làm việc hệ thống Những vấn đề thực toán tổng hợp hệ thống việc xuất nghiệm nằm bên phải mặt phẳng phức (Right half plane zero) gây hạn chế điều chỉnh ổn định hệ thống nói riêng chất lượng hệ thống nói chung báo phân tích, giải quyết, minh họa kết mơ Từ khóa: Bộ biến đổi flyback, Điều khiển flyback, Hệ thống điện mặt trời ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống điện mặt trời bao gồm thành phần là: (1) - pin mặt trời, biến lượng mặt trời thành điện (điện chiều); (2) - biến đổi điện, biến đổi điện áp pin thành dạng điện áp khác cung cấp cho hộ tiêu thụ Bộ biến đổi điện áp từ chiều sang xoay chiều hình sin có cấu trúc hình biến đổi nghiên cứu phổ biến nay, ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời công suất vừa nhỏ Trong đó, biến đổi DC-DC biến nguồn điện chiều điện áp thấp, không điều khiển thành nguồn điện chiều điện áp cao có điều khiển, dạng hình bán sin Bộ biến đổi DC-AC biến đổi nguồn chiều dạng bán sin thành nguồn xoay chiều hình sin Các nghiên cứu biến đổi DC-DC hệ thống điện mặt trời tập trung chủ yếu vào biến đổi buck, boost, buck-boost, flyback [1], [2] DC-AC LỌC LƯỚI DC-DC KHỐI ĐIỀU KHIỂN IPV VPV VAC IAC f Hình Sơ đồ khối chức hệ thống điện mặt trời nối lưới Bộ biến đổi flyback nội dung báo đề xuất nghiên cứu đây, biến đổi với đặc điểm cấu tạo nhỏ gọn, điều khiển đơn giản, cách ly dòng điện, độ tin cậy cao…là lựa chọn tốt để ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời Các nghiên cứu, giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống điện mặt trời tập trung vào hướng sau: (1) - cấu trúc hệ thống nhằm giảm thiểu tổn hao, nâng cao công suất [3], [4]; (2) - phương pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống [5], [6] Bài báo tập trung nghiên cứu theo hướng thứ hai, nâng cao chất lượng biến đổi flyback theo hướng đáp ứng với hệ thống điện mặt trời nối lưới Xuất phát từ yêu cầu hệ thống điện mặt trời (hiệu suất biến đổi, độ méo dạng, độ tin cậy làm việc cao ), nghiên cứu đưa mơ hình tốn hệ thống, từ phân tích đặc điểm động học q trình làm việc đưa phương án điều khiển thích hợp MƠ HÌNH TỐN VÀ SỰ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG 2.1 Ngun lý làm việc biến đổi flyback Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 65 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính Bộ biến đổi flyback có sơ đồ mạch điện hình Bộ biến đổi flyback làm việc dựa đóng mở chuyển mạch M, lượng lưu trữ nửa chu kỳ đầu (Ton) cuộn sơ cấp (LP) sau chuyển sang cho cuộn thứ cấp (LS) nửa chu kỳ sau Khi chuyển mạch M dẫn, có điện áp không đổi đặt lên LP, cuộn LP xuất dòng điện tăng tuyến tính, lượng lưu trữ cuộn dây Đi ốt D bị phân cực ngược, tụ C phóng tải với dòng khơng đổi, điện áp điện áp tụ iLp Vpv PV uGS M 1:n VLp Lp iLs VLs LS iout Đ C Z Vout Hình Sơ đồ mạch điện biến đổi flyback Khi chuyển mạch M không dẫn, dòng cuộn LP giảm làm đảo chiều cực tính cuộn thứ cấp làm cho ốt Đ phân cực thuận, lượng lưu trữ cuộn thứ cấp nạp cho tụ, điện áp tụ tăng Theo tài liệu [7], [8] dòng thứ cấp mà chưa kịp giảm không trước M dẫn chu kỳ tiếp theo, chuyển đổi làm việc chế độ liên tục (CCM), hình Nếu dòng điện thứ cấp mà giảm không trước M dẫn chu kỳ mạch làm việc chế độ khơng liên tục (DCM), hình iLp iLp iLs iLs Hình Tín hiệu flyback Hình Tín hiệu flyback chế độ DCM chế độ CCM Hệ thống điện mặt trời hòa đồng lưới làm việc hai chế độ CCM DCM, tải nhẹ làm việc chế độ DCM, tải nặng làm việc chế độ CCM ILp3 ILp2 ILp I Lp1 ILs3 I Ls2 ILs ILs1 Hình Hiện tượng flyback làm việc chế độ liên tục Xét hệ thống làm việc chế độ CCM ta thấy: Giá trị trung bình dòng điện thứ cấp thể diện tích hình thang IS (hình 5) Như có nhiễu (thay đổi tải điện áp vào) làm cho dòng thứ cấp giảm xuống, điều làm cho mạch vòng điều chỉnh thực tăng độ rộng xung khiển, dòng điện sơ cấp từ dạng ILp1 thàng ILp2 (hình 5), có đỉnh cao độ rộng lớn hơn, dòng thứ cấp có đỉnh dòng cao độ 66 P Q Khải, N.V.Thuấn “Nghiên cứu cải thiện tính ổn định hệ thống điện mặt trời.” Nghiên cứu khoa học công nghệ rộng nhỏ (từ ILs1 thành ILs2) Nhưng diện tích hình thang dòng thứ cấp giảm xuống, hệ thống không điều chỉnh ổn định được, phải qua số vòng lặp dòng cuộn cảm thiết lập lại Hiện tượng khơng khắc phục ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điều khiển, dẫn đến dao động Chúng ta thấy tượng xảy tốc độ tăng độ rộng xung khiển lớn tốc độ tăng dòng điện Hiện tượng gọi right-half-plane-zero (RHPZ) Nhưng tốc độ tăng dòng điện (độ dốc) mà lớn tốc độ tăng độ rộng xung khiển lớn nhiều lần, đáp ứng điều chỉnh vòng điều khiển lúc hệ thống khơng rơi vào tình trạng (dạng dòng ILp3, ILs3) Để thực điều này, báo đề xuất bổ sung thêm khâu hiệu chỉnh vào hệ thống điều khiển 2.2 Phân tích động học biến đổi flyback ứng dụng hệ thống điện mặt trời 2.2.1 Xây dựng mơ hình tốn hệ thống Từ hình ta thấy khối DC-AC có nhiệm vụ lật cách bán chu kỳ tín hiệu đầu DC-DC, khơng ảnh hưởng đến tham số điện áp Vì nghiên cứu động học hệ thống ta bỏ khối Như nêu biến đổi flyback nghiên cứu ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời nối lưới (lưới điện tải hệ thống điện mặt trời) Điện áp lưới điện không ổn định nhằm kiểm soát chặt chẽ dòng điện nên hệ thống điện mặt trời điều khiển ổn định dòng điện đảm bảo hệ thống ln cấp cho lưới công suất cho phép, điện áp hệ thống thay đổi theo thay đổi điện áp lưới điện (điện áp hệ thống điện măt trời thường cao điện áp lưới lượng nhỏ phù hợp) VL Vout Vout VL Grid Vgrid MT  Hình Sơ đồ nối lưới Iout Vgrid Hình Giản đồ véc tơ Nói tóm lại dòng điện hệ thống điện mặt trời điều khiển ổn định biên độ có pha trùng với pha điện áp lưới Nối hệ thống điện mặt trời lưới thường có lọc làm tăng chất lượng điện áp hệ thống điện mặt trời Từ ta có sơ đồ mạch điện nguyên lý hệ thống hình iLp 1: n iLs Đ iout Lf Rf Vpv M PV uGS VLp Lp VLs LS iC C Vout Vgrid RT Hình Sơ đồ mạch điện hệ thống điện mặt trời nối lưới Để hệ thống điện mặt trời đưa cơng suất tiêu tán lớn lên lưới điều khiển ta phải coi lưới tải trở (Hình 8), tính tỷ số điện áp lưới hiệu dụng dòng điện hiệu dụng cung cấp từ hệ thống Điều có nghĩa ta phải điểu khiển pha dòng điện đầu hệ thống phải trùng pha với điện áp lưới Nếu thay đổi tương quan đại lượng nào? Điều giản đồ véc tơ hình xây dựng dựa sơ đồ nối lưới hình 6, thể chiều độ lớn dòng điện đầu hệ thống điện mặt trời, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 67 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính điều khiển cách dịch pha () thay đổi độ lớn điện áp điện áp hệ thống điện mặt trời [9] Hệ thống nghịch lưu sử dụng flyback hệ phi tuyến Từ định luật Kirchhoff cho dòng áp ta có mơ tả tốn học hệ thống sau: + Khi M dẫn, Đ không dẫn:   v pv LPiLp     vout  iout R f  vgrid  L f iout    iout Cvout  + Khi M không dẫn, Đ dẫn: (1)  v    out LP iLp  n   L i  v  i R  f out out out f  vgrid  i    Lp  iout Cvout  n (2) Giả sử d chu kỳ chuyển mạch dẫn (độ rộng xung), d' chu kỳ chuyển mạch không dẫn (d' = - d) Trong thực tế, tác động điều khiển vào khóa M (Hình 8) thay đổi độ rộng xung khiển ta thực q trình điều chỉnh ổn định dòng điện cho hệ thống Tuy nhiên độ rộng xung d thay đổi giới hạn định (≤ 0,6), vượt giới hạn hệ thống lại xuất hiện tượng RHPZ Kết hợp (1) (2) ta có mơ tả tốn học hệ thống hệ phương trình sau:  d '.vout   d v pv  LPiLp  n   L i  v  i R   f out out out f  v grid  i Cvout   d iout  d '.( Lp  iout )  n v d d '.vout    pv  iLp  LP nLP   i R v v   out  out f  grid  iout Lf Lf Lf   d i d' i vout    out  ( Lp  iout )  C C n (3) Hệ phương trình (3) hệ phương trình trạng thái 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 y = [iout]; ta có:  x1  f1 ( x, u )   x2  f ( x, u )  x  f ( x, u )  x  f ( x, u )  (4) Hệ phương trình (3) hệ phi tuyến, thực tuyến tính hóa, xấp xỉ mơ hình phi tuyến thành nhiều mơ hình tuyến tính lân cận điểm trạng thái làm việc quan tâm hệ phi tuyến (ví dụ điểm trạng thái cân hay điểm trạng thái dừng), lúc tốn điều khiển phi tuyến chuyển thành tốn điều khiển tuyến tính [10] Cụ thể ta giả sử hệ có điểm làm việc dừng, cố định hệ thống 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 (u, x) thuộc lân cận (U, X) với khoảng cách |u - U|, |x - X| đủ nhỏ Theo [10] ta phân tích f(x, u) thành chuỗi Taylor (u, x) bỏ thành phần bậc cao (u - U), (x - X) ta phương trình: f(x, u)  f(X, U) + A(x - X) + B(u - U) (5) 68 P Q Khải, N.V.Thuấn “Nghiên cứu cải thiện tính ổn định hệ thống điện mặt trời.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ đó, f(X, U) = nD '   (nVPV  Vout ) D     LP  nLP LP    Rf  f ( x, u )  f ( x, u )  0 A = =  =  , B= Lf Lf  x u     D'  I Lp      C  nC  nC  Ta ký hiệu xˆ  x  X , uˆ  u  U suy (4) có dạng: xˆ  Axˆ  Buˆ nD '   (nVPV  Vout ) D        LP nLP LP   dˆ    iˆLp    iˆ 'Lp   Rf  ˆ    ˆ   0    vˆ pv    iout  +   i 'out     L Lf  Lf   f vˆ 'out   vˆout   vˆgrid           D' I Lp      0  C  nC  nC         Lf     (6) (7) Hoặc (7) viết lại sau: nD '     ( nVPV  Vout )  D  LP     L  ˆ ˆ    i 'Lp   iLp  nLP  P    Rf ˆ   ˆ    ˆ i '   i ˆ + d  v        out  pv  out    Lf Lf Lf     vˆ 'out   vˆout   I  Lp           D'  nC        C  nC  = Axˆ  B1dˆ  B vˆ pv  B3 vˆ grid = AX  B1 U1  B U  B3 U    vˆ (8)  grid   (9) Tương tự dễ dàng ta có phương trình trạng thái đầu ra:  iˆLp    y  iˆout  Cxˆ  iˆout   0  iˆout   vˆout    (10) Hai phương trình (7) (10) mơ hình xấp xỉ tuyến tính thay cho mơ hình phi tuyến (3) Sai lệch (u - U) (x - X) nhỏ tính xác việc tuyến tính hóa cao Hệ thống điều khiển flyback điều khiển chế độ điện áp điều khiển chế độ dòng [7], [8] Do đặc điểm dòng điện flyback nên điều khiển người ta thường điều khiển hệ thống chế độ dòng điện nhằm kiểm sốt chặt chẽ dòng điện tăng độ tin cậy làm việc hệ thống Y (S ) Ta có hàm truyền hệ thống là: G (s)  U1 (S ) Từ (8) (10) ta có hàm truyền hệ thống là: G(s) = C(sI - A)-1B1, với I 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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 69 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính D '(nV pv  Vout ) G(s) = n CLP L f  I Lp nCL f s (11) R f D'2 D'2 s s  s(  ) Lf CL P CL f L f CLP Rf Dễ dàng thấy hệ thống có điểm khơng mà phần thực nằm nửa phải mặt phẳng phức, giản đồ điểm zero-pole thể hình 10 Hình Đặc tuyến tần số biên - pha logarit flyback Hình 10 Giản đồ điểm zero-pole hàm truyền flyback Hình cho thấy độ dự trữ biên độ độ dự trữ pha có giá trị âm (Gm = -104dB, Pm = -86.5deg) hệ thống điều khiển kín nghịch lưu nối lưới sử dụng flyback, phản hồi âm đơn vị với dòng điện không ổn định 2.2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Theo nguyên lý điều chỉnh theo sai lệch tham khảo tài liệu [11], [12], sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển dòng xây dựng hình 11, hiệu chỉnh (PI) sử dụng để đạt biên độ tham gia vào điều chỉnh đặc tính động học hệ thống GPI(s) = KP + KI/s (12) vˆ pv Gin(s) feedback iˆref vˆ pv dˆ GPI(s) He(s) iˆout vˆout Bộ biến đổi iˆout Go(s) feed forward vˆout Hình 11 Sơ đồ cấu trúc vòng điều chỉnh dòng cho hệ thống Để tăng khả hệ thống điều chỉnh đáp ứng có nhiễu, hệ thống thêm vào đại lượng bù trước (feed forward) điện áp bù sau (feedback) điện áp chiều vào (hình 11) Nhờ có nhiễu (có thể đo được) ảnh hưởng đến 70 P Q Khải, N.V.Thuấn “Nghiên cứu cải thiện tính ổn định hệ thống điện mặt trời.” Nghiên cứu khoa học công nghệ điện áp vào điện áp ra, bị loại trừ cách tốt mà hệ thống khơng có đại lượng bù trước sau Nhiệm vụ bù thêm cung cấp chu kỳ tích cực dương ổn định D(t) mạch điều chỉnh dòng việc bám theo đại lượng đặt sai lệch d(t) đo Đại lượng điều khiển là: d(t) = D(t) + d(t) Hàm truyền hệ hở hệ thống là: G1(s) = GPI(s)*G(s)*H(s) (13) Theo [12], [13] để hệ thống đáp ứng với hệ số khuếch đại lớn nửa tần số chuyển mạch khâu phản hồi H(s) hàm cho dạng gần (14) H ( s)   s s2  ; với Qz = -2/π; ωn = π/Ts nQz n (14) Như hàm truyền hở hệ thống hình có dạng: D '(nV pv  Vout ) K G1(s) = ( K P  I )( s n CLP L f  I Lp nCL f s R D'2 D'2 s s  s(  ) f Lf CL P CL f Lf CLP Rf )(1  s s2  2) nQz n (15) Mô đặc tính biên độ, tần số logarit hệ thống mơ tả (15) cho hình 12 Hình 12 Đặc tuyến tần số biên độ-pha logarit với vòng điều chỉnh dòng điện Hình 13 Đáp ứng độ hệ thống có thêm khâu PI Từ đồ thị hình 12 ta thấy hệ thống với bổ sung khâu hiệu chỉnh (PI), hệ thống điều chỉnh tự động dòng điện làm việc ổn định (Gm = 26,3dB, Pm = 39.7deg) Đáp ứng độ hệ thống hình 13, cho thấy hệ từ trạng thái dao động chưa có PI chuyển sang hệ ổn định có PI, cách thay đổi tham số PI có thấy chúng tác động mạnh đến đặc tính động học hệ thống Hình 13 cho thấy hệ điều chỉnh tự động có độ xác tương đối cao, độ chỉnh 29%, thời gian độ tqđ = 0.909s KẾT LUẬN Quá trình điều khiển hệ thống điện mặt trời phức tạp Do đặc điểm làm việc đặc trưng phần tử flyback hệ thống, mà hệ thống làm việc chế độ khác có thay đổi tác động vào hệ (như thay đổi tải, đầu vào thay đổi ) Đặc biệt xuất hiện tượng Right-half-plane-zero (RHPZ) làm giảm ổn định hệ thống dẫn đến dao động, đòi hỏi hệ thống điều khiển phải có khâu bổ sung, hiệu chỉnh đặc Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 71 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính tính hệ thống Bài báo đề xuất, phân tích đưa phương án điều khiển việc bổ sung vào hệ thống điều khiển khâu hiệu chỉnh PI khâu trích mẫu dòng điện phù hợp Do hệ thống chuyển làm việc từ chế độ gián đoạn (DCM-khơng có RHPZ) sang chế độ liên tục (CCM-xuất hiện tượng RHPZ) khắc phục tình trạng ổn định hệ thống Sơ đồ cấu trúc đầy đủ điều khiển hệ thống điện mặt trời phức tạp nhiều so với sơ đồ Sự phức tạp điều khiển hệ thống đòi hỏi kết hợp hiệu chỉnh tham số phức tạp, khó khăn Tuy nhiên báo đề cập đến xây dựng mô hình tốn phân tích vòng điều chỉnh cốt lõi hệ thống vòng điều chỉnh dòng Nó sở để xây dựng hệ thống điều khiển cho toàn hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Messenger, et al., "Photovoltaic Systems Engineering," CRC Press (2004) [2] Rekioua, D and E Matagne, "Optimization of Photovoltaic Power Systems," Springer (2012) [3] C.Kirthana, R.Deepa, and M.SasiKumar3, "Performance analysis of active-clamped interleaved flyback inverter for photovoltaic applications," IJRET (2013), p.721-726 [4] Ryu, D.-K., et al., "Interleaved Active Clamp Flyback Inverter using a Synchronous Rectifier for a Photovoltaic AC Module System," IEEE (2011), p 2631-2636 [5] Gao, M., et al., "Analysis and Implementation of an Improved Flyback Inverter for Photovoltaic AC Module Applications," IEEE (2014), p 3428-3444 [6] K, M., Kazimierczuk, and S.T Nguyen, "Small-Signal Analysis of Open-loop PWM Flyback DC-DC Converter for CCM" IEEE (1995), p 69-76 [7] Pressman, A.I., (Switching power supply design,) McGraw-Hill (1992) [8] Wu, K.C., "Switch-Mode Power Converters," elsevier academic press (2006) [9] Hassaine, L., et al., "Asymmetric SPWM used in inverter grid connected," Revue des Energies Renouvelables (2007), Vol 10 N°3, p 421 - 429 [10] Phước, N.D., "Phân tích điều khiển hệ phi tuyến," NXB Bách khoa-HN (2012) [11] Cooke, P., "Modeling Average Current Mode Control," IEEE (2000), p 256-262 [12] Tang, W., F.C Lee, and R.B Ridley, (Small-Signal Modeling of Average CurrentMode Control," IEEE (1993), p 112-119 [13] Ridley, R.B., "A New, Continuous-Time Model For Current-Mode Control," IEEE (1991), p 271-280 ABSTRACT RESEARCH AND IMPROVEMENT DYNAMIC STABILITY OF FLYBACK CONVERTER IN SOLAR POWER SYSTEM The paper researched and built mathematical model of flyback converter application in the solar power system as well as analyzed performance characteristics of the system The paper analyzed and resolved the sytem synthesis problems as existence of root in the right complex plane (Right half plane zero), which caused system instability Research results are expressed by simulation results Keywords: Flyback converter, Flyback control, Solar power system Nhận ngày 10 tháng 06 năm 2014 Hoàn thiện ngày 17 tháng 08 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 12 năm 2014 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân - phungquangkhai80@gmail.com 72 P Q Khải, N.V.Thuấn “Nghiên cứu cải thiện tính ổn định hệ thống điện mặt trời.” ... số điện áp Vì nghiên cứu động học hệ thống ta bỏ khối Như nêu biến đổi flyback nghiên cứu ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời nối lưới (lưới điện tải hệ thống điện mặt trời) Điện áp lưới điện. .. đến 70 P Q Khải, N.V.Thuấn Nghiên cứu cải thiện tính ổn định hệ thống điện mặt trời. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ điện áp vào điện áp ra, bị loại trừ cách tốt mà hệ thống khơng có đại lượng... ổn định nhằm kiểm sốt chặt chẽ dòng điện nên hệ thống điện mặt trời điều khiển ổn định dòng điện đảm bảo hệ thống ln cấp cho lưới công suất cho phép, điện áp hệ thống thay đổi theo thay đổi điện