- VŨ THÀNH LONG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC CÓ HỆ SỐ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - VŨ THÀNH LONG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC CÓ HỆ SỐ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP CAO Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. - TRẦN TRỌNG MINH Hà Nội – Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản luận văn: “Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi DC-DC có hệ số biến đổi điện áp cao” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS. - 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VỚI HỆ SỐ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP CAO. - Các bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao. - Nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi DC-DC. - Mô hình hóa các bộ biến đổi. - Thiết kế hệ thống điều khiển cho các bộ biến đổi. - Mục tiêu đặt ra trong thiết kế điều khiển các bộ biến đổi. - Ứng dụng của bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao trong thực tế. - 14 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VỚI HỆ SỐ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP CAO. - Bộ biến đổi Boost-Flyback. - Khảo sát bộ biến đổi. - Mô hình hóa bộ biến đổi bằng Matlab-Simulink. - 57 CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST-FLYBACK TRONG HỆ PIN MẶT TRỜI. - Ứng dụng bộ biến đổi Boost-Flyback trong hệ pin mặt trời có MPPT. - Mô phỏng bộ biến đổi Boost-Flyback trong hệ pin mặt trời có MPPT. - Các dạng bộ biến đổi DC-DC cơ bản. - Cấu trúc bộ biến đổi boost-flyback. - Sơ đồ cấu trúc điều khiển điện áp đầu ra cho bộ biến đổi boost. - Đồ thị dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trong sơ đồ bộ biến đổi Flyback. - Mô hình hóa bộ biến đổi trên simulink. - Kết quả phân tích đặc tính tần số bộ biến đổi. - Cấu trúc điều khiển phản hồi điện áp đầu ra. - Mô hình hóa bộ biến đổi trong hệ pin mặt trời. - Đồ thị điện áp đầu ra của bộ biến đổi Boost-Flyback. - Chính vì thế, nhu cầu của các bộ biến đổi với tỷ lệ biến đổi điện áp cao đang ngày một tăng. - Luận văn với đề tài: “Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi DC-DC có hệ số biến đổi điện áp cao” được xuất phát từ yêu cầu thực tế trên. - Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu những cấu trúc tiêu biểu của bộ biến đổi DC-DC, trong đó trọng tâm nghiên cứu các bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao, lựa chọn một cấu trúc phù hợp, mô hình hóa hệ thống và thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi, khảo sát đánh giá chất lượng của hệ thống. - Với mục tiêu như vậy đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn sẽ là các bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao, mô hình hóa hệ thống và thiết kế điều khiển, mô phỏng thực tế và đánh giá chất lượng. - Phƣơng pháp nghiên cứu Khảo sát các mô hình bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao. - Áp dụng phương pháp mô hình hóa dựa vào mô phỏng hệ thống các bộ biến đổi DC-DC trên cơ sở sử dụng công cụ MATLAB, từ đó áp dụng các phương pháp tuyến tính để thiết kế điều khiển hệ thống. - Chính vì thế, vấn đề nghiên cứu các bộ biến đổi có khả năng tăng điện áp cao và hiệu suất cao đang được cộng đồng điện tử quan tâm và nghiên cứu. - Những bộ biến đổi này có khả năng tăng điện áp với hệ số từ 10 đến 20 lần, đồng thời hiệu suất cao có thể đạt đến 95%. - Tuy nhiên việc áp dụng những bộ biến đổi này vào trong thực tế vẫn còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết. - Các bộ biến đổi DC-DC là các bộ biến đổi nguồn một chiều từ mức điện áp này sang một mức điện áp khác, cung cấp cho các phụ tải khác nhau. - Các bộ biến đổi loại này áp dụng nguyên lý biến đổi xung áp nên còn gọi là các bộ biến đổi xung áp hay là bộ biến đổi trong chế độ đóng cắt, phân biệt với các bộ biến đổi điện áp liên tục. - Hiệu suất biến đổi nhờ đó có thể đạt đến 75 ÷ 95. - Sơ đồ ba bộ biến đổi DC-DC cơ bản cho trên hình 1.1. - a) Buck, bộ biến đổi giảm áp. - b) Boost, bộ biến đổi tăng áp. - c) Bộ biến đổi kiểu buck-boost, bộ biến đổi tăng giảm áp. - a) Boost converter Trước tiên ta xét đến bộ biến đổi tăng áp boost converter. - Thực tế cho thấy để bộ biến đổi làm việc ổn định thì giá trị D thường chỉ dao động ở khoảng 0.4-0.6. - b) Flyback converter Bộ biến đổi flyback converter là một bộ biến đổi với mạch nguồn cách ly qua một máy biến áp. - c) Boost-Flyback converter Một cấu trúc khác cũng đang được đào sâu nghiên cứu hiện nay đó là bộ biến đổi boost-flyback. - Mô hình hóa các bộ biến đổi điện tử công suất tiếp cận theo hướng sử dụng thông tin. - Với các bộ biến đổi cần xây dựng các mô hình sau đây: 1. - Hệ thống điều khiển các bộ biến đổi bán dẫn có mục đích đảm bảo quá trình biến đổi năng lượng diễn ra trong bộ biến đổi trong khi sự thay đổi của một số biến đầu ra tuân theo các yêu cầu đặt ra. - Sơ đồ cấu trúc điều khiển điện áp đầu ra cho bộ biến đổi boost Trong một cấu trúc khác, như sơ đồ trên hình 1.3, bộ biến đổi DC-AC phải đảm bảo đưa được năng lượng từ phía nguồn phát DC, có thể là pin mặt trời, về phía nguồn lưới AC, với biên độ điện áp và tần số tương đối ổn định. - Nhìn chung quá trình thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất có mục tiêu đảm bảo các quá trình ở tần số thấp, thường thấp hơn nhiều so với tần số đóng cắt của các khóa bán dẫn. - Chính vì điều này mà các mô hình trung bình có ý nghĩa rất quan trọng trong mô tả đặc tính động học của các bộ biến đổi. - Trong đa số trường hợp mô hình bộ biến đổi sử dụng những cặp nguồn phụ thuộc điều khiển bởi cùng một đầu vào, hệ số lấp đầy xung d. - Tùy theo thiết kế các phần tử này cũng ảnh hưởng đến chế độ làm việc của bộ biến đổi 12 như chế độ dòng liên tục (CCM), dòng gián đoạn (DCM), điều này có thể thay đổi cả cấu trúc của hệ thống điều khiển. - Ví dụ trong bộ biến đổi DC-DC có hai biến trạng thái, điện áp trên tụ và dòng qua cuộn cảm, mạch vòng điện áp bên ngoài đảm bảo ổn định điện áp thay đổi chậm và mạch vòng dòng điện bên trong tác động nhanh hơn nhiều. - Các mô hình tuyến tính trung bình cũng có thể sử dụng các bộ điều chỉnh cộng hưởng cho các bộ biến đổi có làm việc với thành phần xoay chiều AC. - Cuối cùng, bản chất của các bộ biến đổi bán dẫn là một hệ thống với cấu trúc thay đổi (mỗi trạng thái cho phép của khóa bán dẫn ứng với một trạng thái) thì điều khiển trượt (Sliding-Mode Control) có thể là một giải pháp tốt. - Bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó tiêu biểu nhất là trong ứng dụng với hệ pin mặt trời. - Trong hệ pin mặt trời, bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao có tác dụng nâng mức điện áp thấp (chỉ khoảng từ 30V-40V) được sản xuất từ tấm pin mặt trời lên mức điện áp cỡ 400V để có thể hòa vào lưới hoặc sử dụng trực tiếp. - Với mục tiêu môđun hóa hệ thống PV, mỗi panel PV đi với một bộ biến đổi, việc sử dụng các bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao và hiệu suất cao là cần thiết và phù hợp nhất. - Tuy nhiên việc sử dụng bộ biến đổi DC-DC như thế nào để hệ thống làm việc có hiệu suất cao và ổn định lại là vấn đề cần phải nghiên cứu. - Kết luận chƣơng I: Chương I đã giới thiệu được tổng quan chung về các bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao. - 15 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VỚI HỆ SỐ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP CAO 2.1. - (D là duty cycle) và 0 < D < 1 Như vậy ta có: 0 1 - gUDnUD (2.8) Hệ số biến đổi điện áp của bộ biến đổi Flyback giống như của bộ biến đổi Buck – Boost nhưng có thêm hệ số máy biến áp n. - Bộ biến đổi tăng áp có hệ số biến đổi điện áp cao đang là vấn đề nghiên cứu trọng tâm của cộng đồng điện tử công suất. - Mạch tương đương của bộ biến đổi trong khoảng thời gian T01 này được thể hiện trong hình 2.11. - Hình 2.11. - Hình 2.13. - Độ nghiêng của dòng id phụ thuộc vào điểm vận hành của bộ biến đổi. - Hình 2.16. - Hình 2.18. - Hình 2.20. - Hình 2.23. - Chọn max0.9D 0P: Công suất đầu ra của bộ biến đổi (W. - Mô hình hóa bộ biến đổi bằng Matlab-Simulink Hình 3.1. - Để mô hình được bộ biến đổi ta vào phần Simscape > SimPowerSystems lựa chọn các khối MOSFET, Diode, Inductors, Capacitor. - Sau đó nối các khối như hình vẽ 3.1 48 Các bước phân tích tuyến tính mô hình bộ biến đổi Bước 1: Chạy start simulation. - Từ đồ thị đặc tính tần số ta thấy tại tần số cắt 3.02 zcf kH góc pha bộ biến đổi là -185o. - (3.7) Biến đổi (3.6) thu được: *2pzzptg. - 59 CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST-FLYBACK TRONG HỆ PIN MẶT TRỜI 4.1. - Điện áp tối đa VMP [V. - Còn hệ pin mặt trời làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời được mắc với lưới điện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng. - Trong hệ này, bộ biến đổi DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với lưới điện về tần số và điện áp. - Hệ pin mặt trời làm việc độc lập gồm có: a) Tấm pin mặt trời PMT Tấm pin mặt trời có nhiệm vụ hấp thụ và chuyển hóa năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng điện một chiều, là nguồn cung cấp cho bộ biến đổi DC – DC. - b) Bộ điều khiển sạc MPPT Nhiệm vụ của bộ điều khiển sạc là luôn xác định và ra lệnh cho bộ biến đổi DC – DC bám theo điểm hoạt động có công suất cực đại của tấm pin mặt trời.. - c) Các bộ biến đổi trong hệ Các bộ biến đổi trong hệ này gồm có bộ biến đổi một chiều DC – DC và bộ biến đổi DC – AC. - 64 Bộ biến đổi DC – DC được dùng để biến đổi điện áp một chiều sinh ra từ tấm pin mặt trời thành một mức điện áp khác phù hợp để sạc acquy dưới sự điều khiển của bộ điều khiển sạc MPPT. - Có nhiều loại bộ biến đổi DC – DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại: Bộ Boost converter, bộ Buck converter và bộ Buck – Boost converter. - Điện áp đầu ra của bộ biến đổi DC-DC thường nằm trong khoảng 350V - 400V. - d) Tải tiêu thụ Tải xoay chiều nhận năng lượng từ nguồn AC sinh ra của bộ biến đổi DC – AC. - b) Bộ biến đổi trong hệ Bộ biến đổi giúp biến đổi nguồn điện một chiều sinh ra từ pin mặt trời thành nguồn xoay chiều để hoà với lưới. - Bộ biến đổi DC – AC phải tạo được điện áp ra dạng sin, phải đồng bộ được về điện áp, tần số của lưới, phải xác định được điểm làm việc có công suất lớn nhất của dãy pin mặt trời. - Các loại bộ biến đổi DC – AC thông thường có thể được điều khiển bằng phương pháp PWM điều chỉnh độ rộng xung và hoạt động trong tần số từ 2kHz đến 20kHz. - Mô hình hóa bộ biến đổi trong hệ pin mặt trời Chạy file mô phỏng ta thu được các kết quả như sau Hình 4.7. - Đồ thị điện áp đầu ra của bộ biến đổi Boost-Flyback Nhận xét: Các đồ thị trên hình 4.8 cho thấy điện áp được giữ ổn định ở khoảng 380V, hầu như không bị ảnh hưởng của sự thay đổi điện áp vào. - Trần Trọng Minh và các thầy, cô trong Viện Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, cùng với sự giúp đỡ của bạn bè đồng nghiệp, đề tài “Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi DC-DC có hệ số biến đổi điện áp cao” đã được hoàn thành và đạt được một số kết quả như sau. - Nêu được tổng quan về các bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao. - Nghiên cứu các bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến đổi điện áp cao và lựa chọn bộ biến đổi Boost-Flyback. - Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng kiểm chứng cho bộ biến đổi Boost-Flyback. - Khảo sát ứng dụng của bộ biến đổi Boost-Flyback trong thực tế làm việc với hệ pin mặt trời trên cơ sở sử dụng phần mềm MATLAB
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt