Đang tải... (xem toàn văn)
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]
(1)NGHIêN CứU Và CảI THIệN TíNH ổN định động học biến đổi FLYBACK TRONG
Hệ thống điện mặt trời
PHNG QUANG KHẢI, 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 trong điều chỉnh ổn định hệ thống nói riêng chất lượng hệ thống nói chung được 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 cơng 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]
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
2 MƠ HÌNH TỐN VÀ SỰ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG 2.1 Nguyên lý làm việc biến đổi flyback
DC-DC
KHỐI ĐIỀU KHIỂN
LƯ
ỚI
IPV VPV
DC-AC LỌC
(2)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 dịng điện tăng tuyến tính, lượng lưu trữ cuộn dây Đi ốt D bị phân cực ngược, tụ C phóng tải với dịng khơng đổi, điện áp điện áp tụ
Hình Sơ đồ mạch điện biến đổi flyback
Khi chuyển mạch M khơng dẫn, dịng 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 dịng điện thứ cấp mà giảm không trước M dẫn chu kỳ mạch làm việc chế độ khơng liên tục (DCM), hình
Hệ thống điện mặt trời hịa đồng lưới làm việc hai chế độ CCM DCM, tải nhẹ làm việc chế độ DCM, tải nặng làm việc chế độ CCM
Hình Hiện tượng flyback làm việc chế độ liên tục
Xét hệ thống làm việc chế độ CCM ta thấy: Giá trị trung bình dịng 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, dịng thứ cấp có đỉnh dịng cao độ
Hình Tín hiệu flyback ở chế độ CCM iLs
iLp
ILp
ILs
ILp1
ILp2
ILs2
ILs1
ILp3
ILs3
Đ
VLs Z Vout
M uGS
Vpv VLp
Lp LS iLs iLp
C 1:n
PV
iout
Hình Tín hiệu flyback ở chế độ DCM iLs
(3)rộng nhỏ (từ ILs1 thành ILs2) Nhưng diện tích hình thang dịng thứ cấp giảm xuống, hệ thống không điều chỉnh ổn định được, phải qua số vịng lặp dịng 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 dịng 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 vịng điều khiển lúc hệ thống khơng rơi vào tình trạng (dạng dịng 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 sốt chặt chẽ dịng điện nên hệ thống điện mặt trời điều khiển ổn định dịng 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)
Nói tóm lại dịng 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
Hình Sơ đồ mạch điện hệ thống điện mặt trời nối lưới
Để hệ thống điện mặt trời đưa công 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 dịng điện đầu hệ thống điện mặt trời,
Vout VL Iout Vgrid
Hình Giản đồ véc tơ Hình Sơ đồ nối lưới
MT Grid
Vout Vgrid VL
Đ VLs
iC
RT
M uGS Vpv
VLp
Lp L
S iLs iLp
C 1: n
Vout iout Lf Rf
(4)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 dịng áp ta có mơ tả tốn học hệ thống 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 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 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: '
'.( )
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) 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:
1 2 3
( , ) ( , ) ( , )
x f x u x 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 toán 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:
(5)trong đó, f(X, U) =
A = f x u( , )
x = P ' 0 L ' nC f f f nD R L L D C
, B= f x u( , )
u = Lp ( ) 0 0 nC PV out P P f
nV V D
nL L L I
Ta ký hiệu ˆx x X, uˆ u Uthì suy (4) có dạng: xˆ AxˆBuˆ (6)
P ' 0 0 L ˆ' ˆ 1
ˆ' 0 ˆ
ˆ' ˆ ' 1 0 nC Lp Lp f out out f f out out nD i i R i i L L v v D C + Lp ( ) 0 ˆ 1 ˆ 0 0 ˆ 0 0 nC PV out P P pv f grid
nV V D
nL L d v L v I (7)
Hoặc (7) viết lại sau:
P ' 0 0 L ˆ' ˆ 1
ˆ' 0 ˆ
ˆ' ˆ ' 1 0 nC Lp Lp f out out f f out out nD i i R i i L L v v D C + Lp ( ) ˆ ˆ ˆ 0 0 nC PV out P P pv grid f
nV V D
nL L
d v v
L I (8)
= AxˆB d1ˆB v2ˆpvB v3ˆgrid= AXB U1 1B U2 2B U3 3 (9) Tương tự dễ dàng ta có phương trình trạng thái đầu ra:
yiˆout Cˆx ˆ
ˆ 0 0 ˆ
ˆ Lp out out out i i i v (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 dịng điện nhằm kiểm sốt chặt chẽ dịng điện tăng độ tin cậy làm việc hệ thống
Ta có hàm truyền hệ thống là:
1 ( ) ( ) ( ) Y S G s U S
(6)G(s) =
2
2
3
P f
'( )
D'
D'
( )
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 hệ thống có điểm khơng mà phần thực nằm nửa phải mặt phẳng phức, giản đồ điểm zero-pole thể hình 10
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 dịng 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)
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
Hình Đặc tuyến tần số biên - pha logarit flyback
Hình 10 Giản đồ điểm zero-pole 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
(7)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)
2 n ( )
n z
s s
H s
Q
; với Qz = -2/π; ωn = π/Ts (14) Như hàm truyền hở hệ thống hình có dạng:
G1(s) =
2
2
2
P f
'( )
( )( )(1 )
D'
D'
( )
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 đặc tính biên độ, tần số logarit hệ thống mô tả (15) cho hình 12
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
3 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
Hình 12 Đặc tuyến tần số biên độ-pha logarit với vòng điều chỉnh dòng điện