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

ểm trạng 
thái dừng), lúc đó bài toán 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: 
 f(x, u)  f(X, U) + A(x - X) + B(u - U) (5) 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 69
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 xˆ x X  , uˆ u U  thì suy ra (4) có dạng: ˆ ˆ ˆx Ax Bu   (6) 
P
'
0 0
L
ˆ ˆ'
1ˆ ˆ' 0
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
ˆ0 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) có thể viết lại như sau: 
P
'
0 0
L
ˆ ˆ'
1ˆ ˆ' 0
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
1ˆ ˆ ˆ0 0
0
0
nC
PV out
P P
pv grid
f
nV V D
nL L
d v v
L
I
   
    
    
      
    
            
 (8) 
=
1 2 pv 3 grid
ˆˆ ˆ ˆB d B v B vAx    = 1 1 2 2 3 3AX B U B U B U   (9)
 Tương tự dễ dàng ta có được phương trình trạng thái đầu ra: 
 ˆ xˆouty i C 
   
ˆ
ˆ ˆ0 1 0
ˆ
Lp
out out
out
i
i i
v
 
 
  
 
 
 (10) 
 Hai phương trình (7) và (10) là mô hình xấp xỉ tuyến tính thay thế cho mô 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 dòng điện nhằm kiểm soát chặt chẽ dòng 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
 
 Từ (8) và (10) ta có hàm truyền của hệ thống là: G(s) = C(sI - A)-1B1, với I là 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. 
Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính 
P. Q. Khải, N.V.Thuấn “Nghiên cứu và cải thiện tính ổn định ... hệ thống điện mặt trời.” 70 
 G(s) = 
2
22
3 2
P f
'( )
D'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 không 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 dòng điện là không 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 dòng 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
pvv 
Bộ biến đổi 
dˆ
GPI(s) 
Go(s) 
Gin(s) 
ˆ
outv 
oˆuti
ˆ
outv
ˆ
pvv 
He(s) 
oˆuti
efrˆi
feedback 
feed forward 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 71
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 22
3 2
P f
'( )
( )( )(1 )
D'D' 1
( )
CL L
pv out Lp
P f fI
P
f f n z n
f f P
D nV V I
s
n CL L nCLK s s
K
R Rs Q
s s s
L CL CL
 


  
   
 (15) 
 Mô 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. 
Hình 13. Đáp ứng quá độ của hệ thống 
khi có thêm khâu PI. 
Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính 
P. Q. Khải, N.V.Thuấn “Nghiên cứu và cải thiện tính ổn định ... hệ thống điện mặt trời.” 72 
tính của hệ thống. Bài báo ở đây đã đề xuất, phân tích và đưa ra phương án điều khiển 
bằng việc bổ sung vào hệ thống điều khiển các khâu hiệu chỉnh như PI và khâu trích mẫu 
dòng điện phù hợp. Do đó khi hệ thống chuyển làm việc từ chế độ gián đoạn (DCM-không 
có RHPZ) sang chế độ liên tục (CCM-xuất hiện hiện tượng RHPZ) đã khắc phục tình trạng 
mất ổn định của hệ thống. 
 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ điều khiển hệ thống điện mặt trời còn phức tạp hơn rất nhiều so 
với sơ đồ trên. Sự phức tạp của điều khiển hệ thống đòi hỏi sự kết hợp hiệu chỉnh các tham 
số rất phức tạp, và khó khăn. Tuy nhiên ở đây bài báo chỉ đề cập đến xây dựng mô hình 
toán và phân tích vòng điều chỉnh cốt lõi của hệ thống là vòng điều chỉnh dòng. Nó là cơ 
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 và 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 Current- 
 Mode 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 bài 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 sự - phungquangkhai80@gmail.com.