MỤC LỤC

Từ viết
tắt
PV
PVE
MPPT

Thuật ngữ tiếng Anh

Thuật ngữ tiếng Việt

Photovoltaic

Pin mặt trời

Photovoltaic Emulator

Thiết bị giả lập pin mặt trời

Maximum power point tracking

Thuật toán tìm điểm công suất
tối đa.

FSBB
PWM
ePWM

Four-switch

noninverting

buck

boost

Bộ biến đổi buck-boost 4 van
Điều chế độ rộng xung

Pulse width modulator

Mô-đun điều chế độ rộng xung

Enhanced pulse width modulator
GPIO

trong vi điều khiển TMSF28055
Các chân đầu vào và đầu ra

PIE

General input output pins

Khối xử lý ngắt mở rộng

G
T
D
DSP


Peripheral interrupt expansion

Bức xạ
Nhiệt độ
Độ rộng xung
Vi điều khiển xử lý tín hiệu số

Iirradiance
Temparature
Duty Cycle
Digital Signal Processing

1


LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng có vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong
cuộc sống. Trước đây, năng lượng dầu mỏ - than đá được sử dụng rộng rãi, nhưng
là nguồn năng lượng không tái sinh, gây ô nhiễm môi trường. Ngày nay, do kinh tế
ngày càng phát triển, bài toán cấp thiết là phải tìm ra một nguồn năng lượng khác
tái sinh được và không gây ô nhiễm môi trường. So với những nguồn năng lượng
mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… thì
năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận. Thực tế, có nhiều
quốc gia đã sản suất được pin năng lượng mặt trời và đang được sử dụng rộng rãi.
Nhiệm vụ của đề tài nghiên cứu khoa học của nhóm em là thiết lập hệ giả lập pin
năng lượng mặt trời (PV Emulator), nhằm kiểm tra hoạt động của pin mặt trời
trong những điều kiện môi trường khác nhau.
Nội dung báo cáo nghiên cứu khoa học gồm các phần sau:
Tìm hiểu về pin mặt trời.
Thiết kế bộ PV Emulator mô phỏng đặc tính pin mặt trời TE1700.

Mô phỏng hệ thống PV Emulator trên Matlab – Simulink.
Xây dựng hệ thống mạch thực nghiệm và lập trình cho hệ thống.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Vũ Hoàng Phương, về cơ
bản đề tài nghiên cứu khoa học của nhóm em đã hoàn thiện. Do khả năng còn hạn
chế nên đồ án của nhóm em vẫn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự
góp ý chân thành của thầy cô và các bạn.
Hà nội, ngày 17 tháng 04 năm 2016
Nhóm sinh viên thực hiện
2


Nguyễn Đình Cường
Trần Văn Luy
Nguyễn Đình Ngọc
Trần Anh Dũng

3


TÓM TẮT CÔNG TRÌNH
Thiết kế hệ thống giả lập pin năng lượng mặt trời nhằm mục đích:
-

Kiểm tra và nghiên cứu hoạt động của các tấm pin mặt trời thương mại

-

trên thị trường.
Phục vụ nghiên cứu, chỉnh định và hiệu chỉnh phục vụ cho công việc tiếp
theo là nối lưới.


Đề tài nghiên cứu của nhóm em phục vụ cho các loại pin năng lượng mặt trời
có dải công suất từ 0-200(W) trên một tấm pin. Trong đề tài, nhóm em sẽ giả lập các
đường đặc tính P-V, I-V của pin TE1700-160W.
Để tiến hành xây dựng đặc tính của pin mặt trời nhóm em đã sử dụng bộ biến
đổi FSBB và sử dụng bộ điều khiển PID. Thiết kế có vòng dòng điện, mạch vòng điện
áp và cài đặt thuật toán điều khiển trên DSP đồng thời thiết kế giao điện điều khiển,
kiểm tra giám sát.
Hướng phát triển trong tương lai của đề tài là hoàn thiện các mạch vòng, các
thuật toán phục vụ cho nối lưới; thiết kế hệ giả lập PV công suất lớn sử dụng chỉnh lưu
tích cực. Bộ chỉnh lưu tích cực đạt được những lợi ích sau: cung cấp hệ số công suất
cao, tạo ra ít thành phần sóng hài dòng điện.

4


Chương 1: Giới thiệu về pin mặt trời

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ PIN MẶT TRỜI
1.1. Định nghĩa
Pin quang điện hay còn gọi pin mặt trời, có kí hiệu là PV, bao gồm nhiều tế
bào quang điện, là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt các cảm biến ánh sáng là
diode quang, thực hiện biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện.

1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N
đặt sát cạnh nhau.

Hình 1.2.1. Hình ảnh mô tả pin quang điện
Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các electron tự do ở điện cực N sẽ di

chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các electron từ điện cực
N và điện cực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường. Khi đó, hai cực của bán dẫn loại N
và P sẽ đo được một hiệu điện thế.

1.3. Mô hình toán học tương đương của PV
Theo tài liệu [9], ta có mô hình:

Hìn
h 1.3.1. Mô hình toán học tương đương của PV
5


Chương 1: Giới thiệu về pin mặt trời

Dòng qua Diode:

  qV  
I d = I 0  exp 
÷ − 1
akT

 


(1.1
)

Trong đó:
I0 là dòng bão hòa qua diode.
q là điện tích nguyên tố, có giá trị


q = − 1,6.10− 19 (C).

23
k
=
1,38.10
(J/ K).
k là hằng số Boltzmann, có giá trị

a là hệ số diode lý tưởng, có giá trị

1 ≤ a ≤ 1,5.

Phương trình đặc tính của PV (theo tài liệu [9]):

  V + Rs .I   V + Rs .I
I = I pv − I 0  exp 
÷ − 1 −
V
.
a
Rp
t

 


(1.2)
Với:


Vt =

kT
q

là điện trở trong đặc trưng cho các tổn hao công suất trong quá trình làm
việc của pin quang điện.

1.4. Đặc tính làm việc và ứng dụng của PV
1.4.1. Đặc tính làm việc của PV
Pin mặt trời có hai loại đặc tính quan trọng sau: đặc tính I-V và P-V, ứng với
mỗi giá trị bức xạ và nhiệt độ nhất định, pin quang điện sẽ cho ra các đường đặc
tính I-V và P-V duy nhất.
Đặc tính I-V của pin quang điện có dạng như hình vẽ.

6


Chương 1: Giới thiệu về pin mặt trời

Hình 1.4.1: Đặc tính I-V của pin quang điện
Đặc tính P-V của pin quang điện có dạng như hình vẽ.

Hình 1.4.2: Đặc tính P-V của pin quang điện
1.4.2. Ứng dụng của PV
Trong cuộc chạy đua tìm kiếm những nguồn năng lượng mới nhằm thay thế
cho nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt trên trái đất, giới khoa học đã tìm mọi
cách tận dụng nguồn năng lượng từ vũ trụ, mà đặc biệt là năng lượng mặt trời.
Nguồn năng lượng đó đã giúp các nhà khoa học ứng dụng và vận hành thành công

nhiều phát minh độc đáo, đồng thời mở ra những cơ hội khai thác năng lượng mới
cho toàn nhân loại.
7


Chương 1: Giới thiệu về pin mặt trời

Ngày nay, pin mặt trời được ứng dụng nhiều nơi trên thế giới. Chúng đặc biệt
thích hợp cho các vùng mà lưới điện không đến được. Pin mặt trời được sử dụng
nhiều trong sản xuất cũng như trong đời sống. Một số ứng dụng của pin mặt trời
trong cuộc sống hằng ngày như chiếu sáng, sưởi ấm, nấu ăn, sạc pin, đồng hồ, máy
tính, điện thoại di động, túi xách, đèn giao thông… Ngoài ra, pin mặt trời còn được
ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp: xe điện, thiết bị bơm nước, trạm xe
buýt tự động chiếu sáng, vệ tinh nhân tạo.

1.5. Phân loại và ứng dụng của PV Emulator
1.5.1. Phân loại
Dựa trên khâu PV model: sử dụng mô hình toán hay là lookup table.
Dựa trên Power stage: sử dụng bộ biến đổi DC-DC loại nào? (Buck, boost,
flyback,....).
1.5.2. Ứng dụng
Dùng để nghiên cứu, dự báo quá trình hoạt động của pin mặt trời trong các loại
điều kiện thời tiết thay đổi khác nhau, từ đó có thể dùng để thiết kế và hiệu chỉnh
các thiết bị trong hệ thống năng lượng mặt trời.

8


Chương 3: Mô phỏng


CHƯƠNG II: PV EMULATOR
Trong giới hạn của một đồ án và điều kiện trên phòng thí nghiệm, em sẽ thiết
kế một bộ PV Emulator mô phỏng lại đặc tính I-V của pin mặt trời TE1700.

2.1. PV Emulator
2.1.1. Định nghĩa
Hệ thống giả lập pin mặt trời (PV Emulator) là một mạch điện tử công suất,
có khả năng tạo ra những đặc tính như một hệ thống quang điện (PV) thật sự trong
điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ chiếu sáng, độ ẩm) và tải thay đổi rất lớn.
PV Emulator cần rất ít không gian, dự báo quá trình dài hạn nhưng cho kết
quả trong thời gian rất ngắn. Trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào, PV Emulator
cũng có thể kiểm nghiệm được dễ dàng, có thể đưa vào cả những yếu tố khó xảy ra
trong thực tế để dự báo.
2.1.2. Hệ thống pin mặt trời
Hệ thống pin năng lượng mặt trời có cấu trúc như sau:

Hình 2.1.1: Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời
Trong hệ thống này, pin mặt trời nhận cường độ ánh sáng (G), nhiệt độ môi
trường (T); áp đầu ra sẽ qua thuật toán MPPT đưa tới nạp ác quy hoặc nối lưới.
Việc tối ưu (MPPT) để đảm bảo cho hệ quang điện được làm việc hiệu quả
nhất. Bộ biến đổi BOOST khuếch đại điện áp đưa vào bộ biển đổi INVERTER. Bộ biến
đổi này có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều phù hợp
về góc pha, biên độ và tần số để nối lưới hoặc phục vụ cho các thiết bị xoay chiều.

9


Chương 3: Mô phỏng

2.1.3. Cấu trúc PV Emulator


i pv
Power

Radiance
PV Model

G W/m2

Controller

PWM

u pv

Temperature
°C

i pv

Stage

u pv

T

Hình 2.1.2: Cấu trúc của một bộ PV emulator
•
PV Model: là khâu có nhiệm vụ nhận các giá trị bức xạ (G), nhiệt độ
(T), dòng phản hồi rồi đưa ra giá trị điện áp đặt . Giá trị này là giá trị tương

ứng của trên đặc tính I-V, dùng để làm điện áp đặt.
•
Controller: Bộ điều khiển đưa ra là giá trị duty cycle (d).
•
PWM: Từ duty cycle (d) khâu này sẽ phát ra các xung có độ rộng thời

t

gian on /T = d sau đó phân phát tới các mạch van (MOSFET).
•
Power stage: Các khâu trước mới chỉ đưa ra, “giá trị theo con số” của
đặc tính V-I hay P-V, chính khâu power stage này mới xuất ra giá trị vật lý
của dòng và áp thực sự. Nó là một bộ biến đổi DC-DC có chức năng điều khiển
sao cho giá trị xuất ra đạt giá số đặt sau hữu hạn số chu kì trích mẫu PWM.

2.2. Mô hình hóa PV
Có hai cách mô hình hóa PV:
• Dùng mô hình toán học:
Phương pháp này, người ta dùng các thông số của Pin do nhà sản xuất
cung cấp, thay vào phương trình toán học (1.2) .Từ đó mà vẽ được đặc tính của PV.
Phương pháp này có đặc điểm:
+ Tổng quát, linh hoạt với nhiều loại pin khác nhau.
+ Thích hợp với việc mở rộng cho việc ghép tầng nhiều pin với nhau.
+ Chiếm nhiều tài nguyên của vi điều khiển, thời gian tính toán lớn.
+ Độ chính xác cao.
10


Chương 3: Mô phỏng


• Dùng bảng chọn look-up table lưu sẵn giá trị của đường đặc tính I-V.
Phương pháp này, người ta đã có sẵn một đường đặc tính PV thông
qua thực nghiệm, sau đó, nhờ phương trình nội suy để có được những đường đặc
tính khác. Đặc điểm:
+ Dễ làm, dễ lập trình, tốc độ nhanh, chiếm ít tài nguyên vi điều khiển.
+ Độ chính xác không quá cao.
+ Muốn thay đổi loại pin phải mất công thực nghiệm lại
2.2.1. Các phương trình cơ bản của PV
Phương trình toán học tương đương của một Pin mặt trời (theo tài liệu [9]):
(2.1)
  V + Rs .I   V + Rs .I
Trong
I = I pv − I 0  exp 
÷ − 1 −
V
.
a
R
p
 
  t
đó, nhà sản
xuất thường sẽ không cung cấp cho ta những thông số trực tiếp trong phương trình.
Cụ thể với pin TE1700 công suất 160 (W), ta biết được các thông số sau:

I scn = 5( A)
Voc n = 43.2(V )
I m p = 4.6( A)
Vm p = 34.7(V )
K v = −161e −3

K i = 1.4e−3
N s = 72

Gn = 1000(W / m2 )
Tại điều kiện:

Tn = 25(o C )

Để có thể mô hình hóa được Pin, ta cần xác định thêm các thông số sau:

I pv , I o , R s , Rp

. Theo [9], ta có thể làm được điều này dựa vào hệ thống
phương trình và thuật toán lặp dưới đây:

Io =

I scn + K i .∆ T
V + K v .∆ T
exp( ocn
− 1)
a.Vt

11

(2
.2)


Chương 3: Mô phỏng


I pvn =

R p + Rs
Rp

I pv = (I pvn + Ki .∆ T )

Rp =

I scn

Pma xe = Vm p .I m p

G
Gn

I sc = (I scn + Ki .∆ T )

Vm p (Vm p + I m p .Rs )
(V + I .R ) q
Vm p I pv − Vm p .I o .exp[ m p m p s . ] + Vm p .I o − Pma xe
N s .a
kT

R p min =

2.2.2. Giải thuật dò tìm

Rs


và

Vm p
I scn − I m p

−

Vocn − Vm p
Im p

Rp

Đầu vào: T, G
Tính Io (2.2)
Rs = 0; Rp = Rpmin (2.6)

Kết thúc

G
Gn

Sai
Ɛ>0.001
Đúng
Ipvn (2.3); Ipv và Isc (2.4)
Rp (2.5); Rp = Rpmin (2.6)
Giải pt (2.1) với 0 ≤ V ≤ Vocn
Tính P với 0 ≤ V ≤ Vocn, Tính Pmax
Ɛ = ||Pmax – Pmax,e||; Tăng Rs

12

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)


Chương 3: Mô phỏng

R

R

Hình 2.2.1: Lưu đồ thuật toán tìm s và p trong mô hình tương đương pin
quang điện

Rs

và

Rp

luôn thay đổi trong quá trình hoạt động của pin mặt trời. Mục đích

của phần này là tìm cặp
đường đặc tính I-V.


Rs

và

Rp

sao cho

Pmax,m = Pmax,e = Vmp .I mp

ở điểm

(Vmp , I mp )

trên

f (V,I) = 0

Phương trình (2.1) là phương trình
khó giải và cài đặt vào trong
vi điều khiển. Do đó, để giải phương trình này, ta sử dụng phương pháp NewtonRaphson:

xn+1 = xn −
Với một giá trị khởi tạo tùy chọn

f (x n )

f (x n )
f '(x n )


(2.7)

x0 , ta lặp lại các bước tính toán trên đến khi

tiệm cận đến 0 một giá trị sai số chấp nhận được:

f (x n ) ≤ ε

(2.8)

2.3. Bộ biến đổi FSBB
Ta lựa chọn bộ biến đổi FSBB với lý do:
Do dải điện áp đầu ra rất rộng (0 đến 50V), để dễ thiết kế và bộ điều khiển
đạt hiệu suất cao, ta chọn bộ chuyển đổi vừa có khả năng tăng áp vừa có khả năng
giảm áp. Nếu chọn một bộ khác, ví dụ như Buck: P = 200W thì cỡ 300V, trong khi
buckboost thì chỉ cần cỡ 24V. Nếu sử dụng bộ biến đổi cách ly như flyback,.… sẽ làm
tăng kích thước bộ biến đổi, tốn linh kiện, chi phí cho máy biến áp một cách không
cần thiết.
Trong khi đó, sử dụng bộ biến đổi FSBB sẽ có những ưu điểm sau:
- Vừa tăng áp vừa giảm áp được, điện áp đầu ra không bị đảo dấu vì vậy phù hợp với

nhiều ứng dụng yêu cầu dải điện áp rộng.
13


Chương 3: Mô phỏng
- Điện áp đặt lên linh kiện bằng input hoặc output nên dễ chọn linh kiện rẻ tiền.

2.3.1. Giới thiệu FSBB

FSBB là kết quả của việc nối tầng hai bộ biến đổi Buck và Boost. Do đó, nó có
khả năng vừa tăng áp vừa hạ áp. Tuy nhiên, khác với các bộ biến đổi Buck-boost
converter truyền thống, điện áp đầu ra không bị đảo chiều, nó có tới 4 van MOSFET
nên có thể áp dụng linh hoạt các thuật toán điều khiển khác nhau.

Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2.3.1: Sơ đồ mạch FSBB
FSBB là bộ biến đổi được tạo ra bằng cách ghép tầng bởi khối buck ) và
khối boost (). Ta đặt và tương ứng là hệ số điều chế (duty cycle) của . Điện áp
trung bình của điểm A và điểm B trên hình là :

VB = D1.Vin

(2.9)
.
(2.10
)

VA = (1 − D2 ).Vo .

Theo [1], trong trạng thái xác lập, lượng điện tích chuyển qua cuộn cảm L
trong một chu kỳ đóng cắt bằng 0. Có nghĩa là, điện áp trung bình giữa hai đầu cuộn
cảm L trong một chu kỳ đóng cắt là bằng nhau:
Thay vào (2.7) và (2.8) ta có được:
14

VA = VB



Chương 3: Mô phỏng

Vo =

D1
Vin
1 − D2 .

(2.11
)

Từ biểu thức (2.9) ta có thể suy ra rằng, điện áp đầu ra có thể được điều
chỉnh bởi hoặc hoặc cả hai cùng lúc.
Trong báo cáo này, nhóm em sử dụng cách điều khiển đồng thời . Ta có sơ
đồ:

Hình 2.2.2: Mạch lực của FSBB
Khi phân tích FSBB (), chúng ta chú ý thấy một điều rằng: Các trạng thái
mạch của FSBB gần như giống hoàn toàn các trạng thái mạch của BuckBoost
truyền thống, chỉ khác nhau ở chiều của dòng điện .
• Khi :

UL = L
• Khi :

UL = L

diL
= Ui
dt

.

diL
dt

= −U o

(2.12
)

.

(2.13
)

Với giả thiết , là khoảng thời gian , dòng qua cuộn L có dạng tuyến tính.
Tính giá trị trung bình của điện áp trên cuộn cảm L ta có:
T

t

T

s
1 s
1 x
1
U L = ∫ U L dt = [ ∫ U i dt − ∫ U o dt ] = [Uit x − U o (Ts − t x )]= 0 (2.14
)
Ts 0

Ts 0
Ts
tx

y ra:

Su

Uo =

tx
D
Ui =
Ui
Ts − t x
1− D

Từ đó, ta cũng có độ đập mạch trên cuộn cảm bằng:

15

(2.15
)


Chương 3: Mô phỏng

∆ I L = I Lma x − I Lmin =

Ui

U
t x = i DTs
L
L

(2.16
)

Dòng đầu vào chỉ chạy trong khoảng van dẫn nên:
(2.17
)

I i = D.I L
Bỏ qua tổn thất trên sơ đồ

IL =

U i .I i = U o .I o

1
Io
1− D

(2.18
)

Với giả thiết, điện áp trên tụ đập mạch không đáng kể, khi dòng tải hoàn toàn
là do tụ C cung cấp, coi rằng, dòng tải gần như không đổi và bằng giá trị trung
bình . Điện áp ra bị sụt giảm bằng giá trị sụt giảm trên tụ:


∆ Uo = ∆Uc =

I o DTs
C

(2.19
)

2.3.2. Mô hình hóa bộ biến đổi FSBB theo phương pháp trung bình hóa
mạng đóng cắt
Phương pháp này dùng để thay thế một phần của mạng điện bằng một mạng
hai cửa với các biến là điện áp, dòng điện ở các ngõ vào và ngõ ra. Tùy theo điện áp
hay dòng điện có thể coi là biến độc lập (ví dụ điện áp ngõ vào, đầu vào điều khiển,
điện áp ra trên tải), các biến này được mô tả bằng nguồn áp hay nguồn dòng độc
lập. Hai biến còn lại sẽ trở thành các nguồn dòng hay nguồn áp phụ thuộc. Nếu
phần tử được thay thế bằng một mạng hai cửa thì có thể đặt nó vào bất cứ sơ đồ
nào để phân tích tiếp.

16


Chương 3: Mô phỏng

Hình 2.3.3. Mô hình mạng hai cửa của FSBB
Phương pháp trung bình hóa dựa trên cơ sở chính là các đại lượng cần quan
tâm được điều khiển hay thay đổi với tần số thấp hơn nhiều (ít nhất là 10 lần) so
với tần số đóng cắt của sơ đồ. Khi đó có thể bỏ qua độ đập mạch của điện áp hay
dòng điện và chỉ quan tâm đến giá trị trung bình của chúng trong một chu kì đóng
cắt. Sau khi trung bình hóa ta có thể loại bỏ được phần tử đóng cắt và thu được mô
hình phi tuyến của tín hiệu lớn DC. Tiếp theo, ta sẽ tiến hành tuyến tính hóa xung

quanh điểm làm việc bằng cách đưa vào các tín hiệu nhỏ đối với các biến, cuối cùng
sẽ thu được mô hình cho tín hiệu lớn DC và tín hiệu nhỏ AC.

Hình 2.3.4. Mô hình tín hiệu nhỏ của FSBB
Mạch điện FSBB có thể được xem như một mạng hai cửa, từ phân tích điện
áp và dòng điện của mạng hai của này, trong trạng thái xác lập ta có mới quan hệ
giữa điện áp và dòng điện như sau:

D

U o = 1 − D U i

I = D I
 i 1 − D o

(2.20)
17


Chương 3: Mô phỏng

Hệ phương trình trên mô tả một mạng điện hai cửa là một máy biến áp lý

D
tưởng với hệ số truyền áp là 1 − D . Từ mô hình trên được viết lại dưới dạng biến áp
d (t)
lý tưởng với hệ số truyền áp là 1 − d (t) và được biểu diễn dưới dạng sơ đồ mạch
điện như sau:

d (t)


 uo (t) = 1 − d (t) ui (t)


 i (t) = d (t) i (t)
o
 i
1 − d (t)

(2.21)

Để thiết kế bộ điều khiển, mô hình bộ biến đổi DC-DC cần phải được tuyến
tính hóa tại điểm làm việc cân bằng, khi đó các đại lượng điện áp và dòng điện được
viết như sau:
∧

d
=
D
+
d

∧

u
=
U
+
u
i

i
 i
∧

ii = I i + ii

∧
 u o = U o + uo

∧
io = I o + io


(2.23)

Ta có:
∧

∧
∧
D
+
d
U o + uo =
(
U
+
u
i
i)

∧

1
−
(D
+
d
)


∧
∧
∧

D+ d
(
I
+
i
 I i + ii =
o
o)
∧

1 − (D+ d )

(2.24)

Suy ra
∧

∧
∧
 ∧
D
.
u
+
U
.
d
=
−
U
.
d
+
(1
−
D
)
u
i

i
o
o
 ∧
∧
∧
∧

 D. i o + I o . d = − I i . d + (1 − D) ii

(2.25)

Hàm truyền đạt giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế:
18


Chương 3: Mô phỏng

∧

u (
Gvd (s) = ∧o

s)

d ( s)

= G vdo .(1 −
∧

ui ( s ) = 0

Gvdo =

Uo
D(1 − D)

f ESR =


ωESR
1
=
(Hz)
2π 2π rC .C

fo =

s

1+
).

ω RHP 1 +

s

ω ESR

s
s
+ ( )2
QO .ω O ω o

(2.27)

(2.28)

ωo

1− D
=
(Hz)
2π 2π LC

(2.29)

ωRHP R.(1 − D)2
f RHP =
=
(Hz)
2π
2π DL
Qo = (1 − D).R .

(2.26)

(2.30)

C
L

(2.31)

2.3.3. Tính chọn giá trị điện cảm L, điện dung C
Ta sẽ thiết kế cho Pin mặt trời TE1700- 160W:
Các thông số yêu cầu của bộ biến đổi:

Công suất tối đa:
Ta cần đạt được chất lượng như sau:

(2.32)
(2.33)
• Tính chọn điện cảm L
Từ những phân tích trong phần trên, ta có:
(2.34)
(2.35)
(2.36)

19


Chương 3: Mô phỏng

Với mục tiêu thiết kế ổn định hệ thống trong toàn dải điện áp làm việc. Ta sẽ
dự đoán và tìm điểm làm cho hệ thống mất ổn định nhất và thiết kế bộ điều khiển
tại điểm đó:
(2.37)
Khi mà tăng thì D tăng dẫn đến tăng và tăng.
(2.38)
D tăng thì giảm dẫn tới ảnh hưởng gây mất ổn định tăng lên.
Từ những suy luận trên, ta sẽ thiết kế hệ thống và bộ điều khiển tại điểm =
50V (tức là khi ∆U max, ∆I max , ảnh hưởng gây mất ổn định max).
Theo [3], ta cần thiết kế sao cho:

ω RH P
R(D− 1) 2
1− D
CR 2 U i 2 CU i 2
≥M→
≥M

→ L≤ 2 2 = 2 2
ωo
DL
M Uo M Io
LC
CU i 2
⇒ Lma x = 2 2 ( µ H)
M I o ma x

(2.40
)

Nếu chọn M = 15,
Nếu chọn M = 10,

-

(2.39)

(2.41)
(2.42)

Do C càng lớn thì L càng lớn và càng nhỏ.
Để đảm bảo độ đập mạch của ta chọn
(A)

(2.43)

Vậy ta sẽ có:


L=

DU i
D Ui
≥
( µ H)
f s ∆ I L f s ∆ I Lma x

(2.44
)

⇒ L≥
(2.45)
• Tính chọn điện dung C
Để đảm bảo độ đập mạch của ta chọn (V)
Nên

20

DU i 1 − D
= 219( µ H ) (Io = 4( A))
f s 0.3I o


Chương 3: Mô phỏng

C=

DI o
DI o

DI o
⇒C≥
=
f s ∆uo
f s ∆U oma x 0.01U o f s

⇒ Cmi n =

DI oma x
= 272( µ F )
0.01U o f s

(2.48
)

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG
3.1. Đồ thị Bode của đối tượng
Chọn bộ tham số mô phỏng:
rC = 0 ( Ω )
rL = 0 ( Ω )

µC)

C

= 470 (

L

= 0.7 ( mH )


R = 15 ( Ω )
Vo = 30 (V)
Vg = 24 (V)
Từ những tham số trên, ta tính được giá trị sau:

f0

= 123 (Hz) và

f RHP

= 1,2 (kHz)

Hàm truyền của đối tượng với thông số trên:

Gvd (s) =

(2.47
)

− 0.01595s + 121.5
1.666*10− 6 s 2 + 0.0002363s + 1

21


Chương 3: Mô phỏng

Hình 3.1.1. Đồ thị Bode của đối tượng

Nhận xét: Đối tượng có độ dự trữ biên độ là -36.6 (dB) và độ dự trữ pha là

− 55.80 . Hai giá trị này đều nhỏ hơn 0 nên hệ thống không ổn định.

3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID
(1 +
Gc (s) = Gco
Hàm truyền của bộ PID:
Với tần số

 f z = fc


f = f
c
 p

ωz

và

ωp

ω
s
)(1 + L )
ωz
s
= Gco .GPID (s)
s

1+
ωp

(3.2)

xác định theo công thức sau:

1 − sin θ
1 + sin θ
1 + sin θ
1 − sin θ

(3.3)

Xác định góc θ :
Dự trữ pha hệ hở bao gồm bộ bù và đối tượng được định nghĩa như sau:
22


Chương 3: Mô phỏng

θ PM = arcGh (jω ) |ω = ω c − (− 1800 )

(3.4)

Mặt khác, pha của hệ hở được định nghĩa như sau:

arcGh (jω ) |ω = ω c = arcGc (jω ) |ω = ω c + arcGdt (jω ) |ω = ω c
Suy ra, góc pha bộ bù tại tần số cắt


fc

(3.5)

được tính như sau:

arcGc (jω ) |ω = ω c = − 1800 + θ PM − arcGdt (jω ) |ω = ω c
Tăng tần số khếch đại ở dải tần số thấp, giảm nhiễu ở tần số thấp và giảm sai
lệch tĩnh. Muốn vậy, người ta thiết kế thêm một điểm “không” nghịch đảo vào hệ số
khếch đại vòng lặp ở tần số

fL

.

Để không thay đổi độ dự trữ pha mong muốn ở tần số
phần I làm giảm độ dự trữ pha).
Thành phần
ở tần số cắt

fc

Gco

fc

thì

fL ≤


fc
10 (vì thành

có giá trị để thỏa mãn biên độ của hệ thống có giá trị bằng 1

, tức là:

| G co .GPID (jω ).G dt (jω ) | f = fc = 1
G co =
Nên

(3.7)

1
| GPID (jω ).G dt (jω ) | f = fc

(3.8)

3.2.1. Tính toán bộ điều khiển PID liên tục (file script tham khảo trong
phần phụ lục)
Chọn và . Tại điểm ta có:

1

Gco =
Gvdo

fp

f0 . f0

f .f
. 1+ L L .
fc . fc
fc . fc f z

→ Gco = 0.0062
(3.9)

Hàm truyền của bộ điều khiển PID:

23


Chương 3: Mô phỏng

2.143*10−6 s 2 + 0.009543s + 0.9703
GPID (s) =
0.0001168s 2 + s

(dB).

Nhận xét: Hệ thống ổn định. Độ dự trữ pha đạt

(3.10)

550 , độ dự trữ biên độ là 13.3

Hình 3.2.1: Hàm truyền hệ hở của FSBB khi có bộ PID
3.2.2. Tính toán bộ điều khiển PID số
Hàm truyền của bộ điều khiển PID số:


0.1313 z 2 − 0.2568 z + 0.1256
GPID (z) =
z 2 − 1.401z + 0.4006

24

(3.11)


Chương 3: Mô phỏng

3.3. Mô phỏng Simulink
3.3.1. Kết quả mô phỏng PV Model

Hình 3.3.1. Đặc tính I-V của pin TE1700

Hình 3.3.2. Đặc tính P-V của pin TE1700
25