Bộ điều khiển cho khâu tăng áp DC/DC converter

Nhƣ trình bày ởchƣơng 2, khâu tăng áp đƣợc sử dụng ở đây là khâu boost converter có mô hình mạch nhƣ hình 5-5.

Hình 5-5: Bộ boost inverter. Và mối quan hệ của các đại lƣợng trong mạch nhƣ sau:

(5.4)

(5.5)

Từcác công thức (5.4) và (5.5) thì có thể thấy tín hiệu dùng để điều khiển hoạt động của khâu tăng áp này là độ rộng xung cấp cho khóa điện tử. Theo lý thuyết thì bộ boost converter ở trên có 2 chế độ điều khiển là điều khiển điện áp và điều khiển dòng điện tùy thuộc vào mục đích sử dụng của bộ chuyển đổi.

 Chếđộđiều khiển điện áp : tín hiệu cần đƣợc điều khiển ở đây là điện áp, mà cụ thể là điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi. Điện áp ngõ ra sẽ đƣợc sử dụng làm tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển. Bộ điều khiển có chức năng tạo ra xung có độ rộng thích hợp cấp cho khóa điện tử, nhằm ổn định điện áp ngõ ra bằng với một giá trị tham chiếu đặt trƣớc. Và các tín hiệu dòng điện không đƣợc điều khiển trong chếđộnày.

 Chế độ điều khiển dòng điện : ở chế độ này tín hiệu cần đƣợc điều khiển là dòng điện vào hoặc ra của bộ chuyển đổi. Vì vậy các tín hiệu này đƣợc sử dụng làm tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển nhằm điều khiển các tín hiệu trên. Và trong chếđộnày thì điện áp ngõ ra không đƣợc điều khiển trực tiếp. Thuật toán tìm kiếm công suất đỉnh yêu cầu bộinverter có khảnăng điều khiển dòng và áp vào một các linh hoạt, tuy nhiên điện áp vào khó điều khiển thƣờng chỉ dùng làm tín hiệu cấp trƣớc cho bộ điều khiển. Nên để thực hiện thuật toán tìm kiếm công suất đỉnh thì dòng điện vào Iinđƣợc điều khiển, còn điện áp vào sẽthay đổi theo đặc tính của tấm pin mặt trời nhƣ hình 5-1. Từcông thức 5.5 có thể thấy rằng dòng điện vào có thể đƣợc điều khiển bằng độ rộng xung D hoặc dòng điện ra Iout . Điện áp đầu ra của bộ boost cần ổn định và nằm trong một giới hạn nhất định, vì vậy nếu điều khiển dòng bằng D thì các yêu cầu trên về điện áp ra sẽ khó thực hiện. Vì vậy chúng ta sẽ điều khiển Iout, Iout phụ thuộc vào dòng điện mà chúng ta bơm vào tải phần này sẽ đƣợc trình bày ở phần sau. Vậy đối với bộ tăng áp này tôi chọn chế độ điều khiển điện áp ngõ ra. Sơ đồ khối của khâu tăng áp đƣợc biểu diễn ởhình 5-6.

Hình 5-6: Sơ đồ khối điều khiển bộ tăng áp.

Thiết kế bộ điều khiển :

Trong phần này chúng ta tập trung nghiên cứu thiết kế bộđiều khiển cho bộtăng áp, cụ thể là bộ điều khiển PID có hàm truyền đạt đƣợc biểu diễn ở công thức 5.6.

(5.6)

Nhƣ đã thiết kếđƣợc ở chƣơng 3 ta có bảng giá trị của các thông sốtrên nhƣ sau: Vin (Volts) Vout (Volts) D L (Henry) C (Fara) R (ohm) 30 400 0.925 220.10-6 300.10-6 400

Hàm truyền đạt hở từ độ rộng xung d(s) đến điện áp ngõ ra Vo(s) của bộ boost đƣợc biểu diễn bởi công thức (5.7) [14].

(5.7)

Trong đó IL = V2out/(R*Vin) . Còn tham số khác nhƣ bảng trên. Thay các giá trị đã tính toán và ƣớc lƣợng ta đƣợc hàm truyền (5.8) Đặc tính quá độ của hệ thống đƣợc mô phỏng nhƣ hình 5-7 : Vref Vout D - + PID

Hình 5-7 : Đặc tính quá độ của bộ boost.

Ta thấy đặc tính quá độ này là của một hệ dao động, nên bộ PID đƣợc thiết kế dựa trên phƣơng pháp Ziegler-Nichols 2. Tức là ta thay bộ điều khiển PID nhƣ hình 5-6 bằng bộđiều khiển tỷ lệP. Sau đó thay đổi hệ số tỷ lệ kp để đặc tính quá độở biên giới ổn định tức là dao động điều hòa. Ta thu đƣợc giá trị khuếch đại tới hạn kth và chu kỳ dao động Tth, các giá trị của bộ điều khiển PID đƣợc chọn theo kth và Tththeo các công thức sau:

kp = 0.6kth ; TI = 0.5Tth ; TD = 0.12Tth (5.9)

Thực hiện phƣơng pháp Ziegler – Nichols 2 trên matlab ta thu đƣợc kth = 0.625 và Tth=0.0152. Từ (5.9) suy ra đƣợc kp=0.375; TI=0.0076; TD=0.001824. Suy ra hàm truyền của bộđiều khiển nhƣ sau :

(5.10)

Hình 5-8 : Đáp ứng quá độ của bộ boost với bộ điều khiển PID.

Bộđiều khiển trên đƣợc dùng trong miền tƣơng tự, tuy nhiên trong bộ micro-inverter bộđiều khiển đƣợc thực hiện bằng vi điều khiển nên các tính hiệu đƣợc rời rạc hóa. Do vậy việc tính toán các thành phần của bộ điều khiển sẽ đƣợc thực hiện nhƣ sau :

 Tỷ lệ : thành phần này không có gì thay đổi với điều khiển tƣơng tự.

 Tích phân : thành phần này chính là diện tích tạo đƣợc bởi đƣờng cong sai số với các trục thời gian và giá trị, vì vậy nó có thể xấp xỉ hóa bằng cách cộng dồn theo công thức sau:

(5.11)

Trong đó : h là thời gian lấy mẫu tín hiệu, k=t/h.

 Vi phân : thành phần de/dt có thể gần đúng bằng [e(i)-e(i-1)]/h.

5.4. Điều khiển hòa đồng bộ lƣới điện

Một bộ micro-inverter thiết kế đƣợc ngoài khả năng chuyển đổi điện từ một chiều sang xoay chiều hình sin, thì khả năng hòa vào lƣới điện là một tính năng quan trọng. Đối với bộ chuyển đổi điện một pha thì cần các điều kiện sau đểcó thểhòa lƣới:

 Điện áp hình sin có biên độ bằng biên độđiện áp lƣới.  Tần số bằng tần số của điện áp lƣới.

Đểđáp ứng các điều kiện trên thì ta thƣờng sử dụng các thuật toán đồng bộ hóa, mà trong đó ngõ ra chính của thuật toán là pha của điện áp lƣới.Góc pha là thông tin quan trọng của bộ micro-inverter, vì bộ điều khiển có thể dùng nó để đồng bộ hóa việc đóng mởcác khóa công suất, tính toán công suất tác dụng và công suất phản kháng chảy vào lƣới và tính các khung tham chiếu thích hợp cho mục đích điều khiển. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Thông thƣờng việc xác định góc pha thƣờng sử dụng các cấu trúc vòng lặp khóa pha (PLL : Phase Locked Loop). Ngoài việc xác định góc pha của tín hiệu, một số cấu trúc PLL còn có thể ƣớc lƣợng đƣợc biên độ và tần số của tín hiệu. Hiện nay có khá nhiều cấu trúc vòng lặp khóa pha khác nhau, mỗi loại đều có những ƣu nhƣợc điểm riêng. Hình 5-9 biểu diễn một cấu trúc PLL chung trong các bộ nghịch lƣu nối lƣới. Cấu trúc bao gồm việc xác định góc pha, biên độ và tần số, vì vậy nó rất phù hợp cho việc điều khiển một bộ nghịch lƣu.

Hình 5-9 : Cấu trúc PLL chung của bộ nghịch lƣu một pha.

Cấu trúc này gồm có khối tạo ra cặp tín hiệu trực giao (OSG : Orthogonal signals generator) gần với tín hiệu cần đồng bộ. Vαvà Vβđƣợc biểu diễn công thức 5.12.

Vα = Vmsinθ và Vβ = Vm cosθ (5.12) Với θ = ωt+φ là pha của điện áp lƣới, ω là tần số góc.

Thêm vào đó, các tín hiệu phản hồi bao gồm các tín hiệu ƣớc lƣợng và của góc pha θ và tần số góc ω của điện áp bộ inverter. Trong hình 5-9 biểu diễn các tín hiệu trực giao Vαvà Vβđƣợc đƣa vào một khối chuyển đổi. Cặp tín hiệu này đƣợc nhân với một ma trân quay để thu đƣợc đầu ra là Vq.

(5.13)

Nhận thấy rằng bằng 0 ở trạng thái hoạt động ổn định. Vì vậy sai lệch góc pha đi vào bộ điều khiển PI nhƣ hình 5-9 đƣợc tuyến tính hóa bằng khai triển chuỗi Taylor.

(5.14)

Vì vậy sai số đi vào bộ điều khiển PI đƣợc biểu diễn nhƣ sau :

(5.15) Bộ điều khiển PI ở đây có chức năng hiệu chỉnh tần số góc dựa vào sai số góc pha ∆θ. Trên mô hình 5-9 ta cũng có thể thấy đƣợc mô hình có thể ƣớc lƣợng đƣợc giá trị của góc pha, tần số và biên độ của điện áp lƣới theo các công thức sau :

(5.16)

(5.17)

(5.18)

Tuy nhiên việc tính tích phân nhƣ công thức (5.18) thực hiện khá phức tạp trong các hệ thống điều khiển số, nên ta có thể ƣớc lƣợng góc pha trực tiếp bằng công thức sau[15].

(5.19)

Xây dựng cấu trúc PLL cho bộ micro-inverter

Mô hình hoạt động của thuật toán vòng lặp khóa pha đƣợc trình bày ở trên, phần này tôi xin đƣa ra một cấu trúc PLL dựa trên phần cứng thiết kế đƣợc ở chƣơng 4.

Trong phần cứng của mạch micro-inverter có phần mạch phát hiện điểm không (Zero crosss detect), phần mạch này có tác dụng tạo ra một xung vuông khi điện áp lƣới tăng vƣợt qua điểm không. Tín hiệu này đƣợc đƣa vào chân ngắt ngoài để thực hiện đếm xung, và vi điều khiển có chức năng tính toán chính xác tần số của điện áp lƣới.

Đây là một cách đơn giản để xác định tần số và điểm bắt đầu một chu kỳ của điện áp lƣới.

Đối với khâu tạo cặp tín hiệu trực giao, cách đơn giản nhất để tạo tín hiệu trực giao với tín hiệu đầu vào là sử dụng khối tạo trễ một khoảng thời gian bằng ¼ chu kỳ của tín hiệu rồi nhân với -1do tín hiệu cos sớm pha hơn tín hiệu sin một góc 90o.Các tín hiệu sin, cos, arcsin, arctan của đều đƣợc thực hiện dựa trên chƣơng trình. Hình 5-10 biểu diễn sơ đồ khối của bộ PLL sử dụng trong bộ micro-inverter này.

Hình 5-10 : Sơ đồ khối bộ PLL sử dụng trong bộ micro-inverter.

Trong sơ đồ khối trên tôi thay việc ƣớc lƣợng góc pha bằng arctan bằng arsin, vì trong vi điều khiển việc tính toán các giá trị tan của góc pha khi góc đó tiệm cận đến . Và thay bộ điều khiển PI bằng cách tính ∆θ từ sin∆θ để bù vào góc pha sai lệch. Sau đây là phần kết quả mô phỏng thuật toán PLL trên Simulink.

Vgrid Vβ = VmCosθ Vα = VmSinθ Delay 1/(4f) -1 Arcsin sin cos Vm 1/Vm 1/Vm Arcsin

Hình 5-11 : Góc pha ƣớc lƣợng từ điện áp lƣới.

Hình 5-12 : Biên độ ƣớc lƣợng từ điện áp lƣới.

5.5. Điều khiển dòng điện lƣới

Bởi vì điện áp của lƣới điện là tín hiệu không thể điều khiển khi bộ micro-inverter đã hòa vào lƣới, do công suất của bộ micro-inverter là không đáng kể so với lƣới. Vì vậy mà cách duy nhất để điều khiển hoạt động của bộ micro-inverter là điều khiển dòng điện của nó khi chảy vào lƣới. Tuy nhiên cũng cần phải chú ý rằng điện áp đầu ra của bộ micro-inverter phải lớn hơn điện áp lƣới để đảm bảo dòng điện luôn chạy từ bộ micro-inverter vào lƣới [16].

Trong phần cứng của bộ micro-inverter ta chọn bộ lọc là loại LCL nhƣ hình 5-13 và có hàm truyền đạt từ điện áp ngõ ra khâu nghịch lƣu đến dòng điện ra nhƣ sau :

(5.20)

Hình 5-13 : bộ lọc LCL. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Ta nhận thấy rằng muốn điều khiển dòng điện chảy vào lƣới thì ta cần điều khiển điện áp đầu ra của khâu nghịch lƣu. Nhƣ đã trình bày ởchƣơng 2 thì điện áp này có thể đƣợc điều khiển bởi 2 thông số, một là điện áp DC ngõ vào khâu nghịch lƣu, hai là tỉ số điều biến độ rộng xung sin hóa ma. Phần điều khiển bộboost đã trình bày phƣơng pháp điều khiển ổn định điện áp ra, nên phần này không dùng VDC để điều khiển dòng điện lƣới, vì vậy tỉ số điều biến ma đƣợc sử dụng. Và sơ đồ điều khiển đƣợc cho bởi hình sau:

Hình 5-14 : Sơ đồ khối điều khiển dòng điện lƣới.

Trong sơ đồ trên ta thấy khâu giới hạn để đảm bảo dòng điện luôn chảy vào lƣới. Và bộđiều khiển đƣợc sử dụng là bộđiều khiển PI với hàm truyền nhƣ sau :

(5.21)

Do điện áp ra khâu nghịch lƣu khá phức tạp nên các thông số kp và TI thƣờng đƣợc hiệu chỉnh để đạt đƣợc kết quả tốt nhất. Việc số hóa các thành phần tỉ lệ và tích phân cũng đƣợc thực hiện nhƣ bộđiều khiển PID của bộ boost.

ma’ Itham chiếu Ilƣới ma - + Điều khiển PI Giới Nghịch lƣu hạn SPWM

CHƢƠNG VI

THIẾT KẾ GIAO TIẾP TRUYỀN THÔNG

6.1. Về yêu cầu của hệ thống

Theo yêu cầu của đề tài, phần truyền thông đƣợc thực hiện bới các lựa chọn sau: -Phần truyền thông có dây lựa chọn kiểu chuẩn MODBUS RTU với bus nối kiểu RS- 485 phù hợp với các chuẩn giao tiếp công nghiệp mà ngành điện đang sử dụng

- Phần lựa chọn PLC (power line communication) hay không dây: Do PLC có một số hạn chế khi triển khai tại lƣới điện hạáp ở Việt Nam (đã đƣợc kiểm chứng từcác dựán truyền dữ liệu công tơ số qua PLC) nên chúng tôi không chọn PLC cho truyền thông của sản phẩm cho đềtài. Phân không dây có 2 lựa chọn:

- Chuẩn không dây wireless 802.11: ƣu điểm giá thành thấp nhƣng xử lý giao thức phức tạp hơn

- Chuẩn không dây wireless 802.15.4 (Zigbee): giá thành cao hơn nhƣng thích hợp cho mạng tòa nhà, phù hợp với các phát triển sau này nên chúng tôi chọn giải pháp này

6.2. Chuẩn Modbus

6.2.1. Cơ chế giao tiếp

Cơ chế giao tiếp ở Modbus phu ̣ thuô ̣c vào hê ̣ thống truyền thông cấp thấp . Cụ thể có thể phân chia ra 2 loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác.

 Mạng Modbus chuẩn: sử dụng giao diện nối tiếp RS-232.

Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ / tớ (Master / Slave).

 Modbus trên các ma ̣ng khác (TCP/IP, Modbus Plus, Map): Modbus và MAP sƣ̉ du ̣ng Modbus là giao thƣ́c cho lớp ƣ́ng du ̣ng.

Các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó , mỗi bô ̣ điều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoă ̣c là tớ trong các lần giao di ̣ch khác nhau.

Hình 6-2: Chu trình yêu cầu - đáp ƣ́ng

 Đi ̣a chỉ tra ̣m nhâ ̣n yêu cầu (0-274), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt  Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu.

 Dƣ̃ liê ̣u chƣ́a các thông tin bổ sung mà tra ̣m tớ cần cho viê ̣c thƣc hiê ̣n hàm đƣơ ̣c go ̣i. Trong trƣờng hợp đo ̣c thanh ghi , dƣ̃ liê ̣u này cần chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lƣợng các thanh ghi cần đo ̣c.

 Thông tin kiểm lỗi giúp tra ̣m tớ kiểm tra nô ̣i dung thông báo nhâ ̣n đƣợc. Thông báo đáp ƣ́ng cũng bao gồm các thành phần nhƣ thông báo yêu cầu.

6.2.2. Chế đô ̣ truyền

Trong mô ̣t ma ̣ng Modbus chuẩn có 2 chế đô ̣ truyền là ASCII và RTU Khung ASCII

Cấu trúc khung :

Start 0 1 2 3 4 5 6 P Stop

Mỗi kí tƣ̣ của khung bao gồm :  1bit khởi đầu (Start bit) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

 7 bit biểu diễn mô ̣t chƣ̃ số hex của byte cần gƣ̉i dƣới da ̣ng kí tƣ̣ ASCII (0-9 và A-F), trong đó bit thấp nhât đƣợc gƣ̉i đi trƣớc.

 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu dƣ̉ du ̣ng parity.

 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sƣ̉ du ̣ng parity hoă ̣c 2 bit kết thúc nếu không sƣ̉ dụng parity.

Chế đô ̣ truyền RTU Cấu trúc khung :

Start 0 1 2 3 4 5 6 7 P Stop

Mỗi kí tƣ̣ khung bao gồm :  1 bit khởi đầu (Start bit)

 8 bit của byte thông báo cần gƣ̉i, trong đó bit thấp nhất đƣợc gƣ̉i đi trƣớc  1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sƣ̉ du ̣ng parity.

 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sƣ̉ du ̣ng parity hoă ̣c 2 bit kết thúc nếu không sƣ̉ dụng parity.

So sánh 2 chế đô ̣ truyền ASCII và RTU

Hai chế đô ̣ truyền ASCII và RTU k hông nhƣ̃ng chỉ khác nhau trong cách mã hóa thông tin gƣ̉i đi và cấu trúc kí tƣ̣ khung, mà còn khác nhau ở cấu trúc một bức điện gửi đi hay nói cách khác là cấu trúc khung thông báo, cũng nhƣ biện pháp kiểm lỗi.