Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 143 Mã bài: 35
Chiến lược điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới cho trạm phát
điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Control strategy Z source inverter grid connected for the wind
power using permanent magnet synchronous generator
Trần Trọng Minh, Phạm Quang Đăng, Vũ Hoàng Phương
Trường ĐHBK Hà Nội
e-Mail:

Tóm tắt
Bài báo này trình bày chiến lược điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử
dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Toàn bộ cấu trúc điều khiển được đưa ra phân tích, mô hình hóa
để xây dựng thuật toán điều khiển đảm bảo để công suất đưa từ máy phát lên lưới lớn nhất dưới các tốc độ gió
khác nhau và điện áp một chiều trên tụ C mạch nguồn Z giữ giá trị mong muốn đảm bảo điều kiện nối lưới.
Kết quả mô phỏng offline bằng Matlab và kết quả mô phỏng thời gian thực khi kết hợp DSPTMS320F2812
với card DS1103 đã minh họa kiểm chứng cấu trúc toàn bộ hệ thống đã được xây dựng.
Abstract:
This paper presents the control strategy Z source inverter grid connected for the wind power using
permanent magnet synchronous generator. The control strategy is thoroughly analyzed and modeled to figure
out control algorithm in order to assure that the power transmitted from generator to grid is maximum under
different wind speeds while the DC voltage of capacitors remains the required valueof grid connecting
condition. The offline simulation result using Matlab and real time result using DSP TMS320F2812 connected
to DS1103 card verify the previously formed structure. Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
u

i
sa
, i
sb
, i
sc
A Dòng điện pha trung bình
của ZSI
e
na
,e
nb
,e
nc
V Điện áp lưới ba pha
Chữ viết tắt
ZSI Z source inverter
MPPT Maximum power point tracking
HSCS Hệ số công suất
ĐC
HSCS
Điều chỉnh hệ số công suất
ĐC CS Điều chỉnh công suất
MSVM Modify space vector modulation
PLL Phase lock loop
PMSG Permanent Magnet Synchronous
Generator

gian thực với card DS1103 và DSP TMS320F2812
với thuật toán điều khiển cài đặt vào DSP cho
phép kiểm tra tính đúng đắn, chuẩn hóa dữ liệu
phù hợp với nguyên tắc làm việc dấu phẩy tĩnh
DSP TMS320F2812, đây là phương pháp nghiên
cứu cần thiết để có thể triển khai cấu trúc điều
khiển vào thực tế. Đối tượng điều khiển được mô
hình hóa bằng card DS1103 cho phép thay đổi các
điều kiện làm việc hệ thống theo thời gian thực.
2. Mô hình ZSI nối lưới
n
e

s
i

H. 1 Mạch lực ZSI nối lưới cho trạm phát điện sức
gió
Với giả thiết mạng Z đối xứng (C
1
= C
2
= C, L
1
=
L
2
= L) xây dựng được mô hình tín hiệu trung bình
mạch điện tương đương phía một chiều của ZSI
[2], [5]


1
C
inv
u
ˆ
u
d


(2)
Do đó viết được phương trình dòng điện trung
bình ba pha đầu ra ZSI nối lưới tương tự như
nghịch lưu nguồn áp nối lưới.


 
 
2
1 3
2
1 3
2
1 3
a b c
sa c
s na s sa
b a c
sb c
s nb s sb







 


  





(3)
Với lưới điện ba pha đối xứng ta có:
inv sa a sb b sc c
i i d i d i d
  
(4)
Phương trình (3) viết lại trên hệ tọa độ tựa điện áp
lưới dq.
1
1
w
w




H. 2 Mô hình toán học ZSI nối lưới

H. 3 Biểu diễn đại lượng vector trên hệ độ độ quay dq
3. Chiến lược điều khiển ZSI nối lưới cho
trạm phát điện sức gió sử dụng PMSG
Chiến lược điều khiển ZSI nối lưới cho trạm phát
điện sức gió sử dụng máy phát PMSG được thực
hiện trên hệ tọa độ tựa điện áp lưới. Trong đó điện
áp u
C
được giữ ổn định thông qua thành phần dòng
điện i
sd
, trong khi đó công suất lớn nhất được đưa
ra từ khâu MPPT sẽ là lượng đặt cho mạch vòng
điều chỉnh công suất với tín hiệu điều khiển là
dòng điện i
L
. Vì vậy, nhiệm vụ quan trong khi thiết
kế điều khiển là phải ổn định được các mạch vòng
điều chỉnh bên trong là dòng điện qua cuộn cảm và
mạch vòng dòng điện đầu ra ZSI.

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 145 Mã bài: 35

sd
u

c
u
*
L
i

C
u
L
i
n
e

L
i
dc
u

*
ref
P
C
u

H. 4 Cấu trúc điều khiển ZSI nối lưới cho trạm phát
điện sức gió sử dụng máy phát PMSG
3.1. Thiết kế mạch vòng điêu chỉnh phía một
chiều
Điện áp u
C


  (7)
Trong đó: d
1
= 2d -1
Sử dụng cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI, thu được
hàm truyền kín mạch vòng dòng điện qua cuộn
cảm
 




1 1
* 2
1 1
p i
L
k
L p i
K K s K K
i s
G s
i s s K K s K K

 
 
(8)
Trong đó: K
1

n
p
n
i
K
K
K
K
w x
w











 




(10)
*
L
i

định (11) [3].
   
   
1 ( 1)
1 ( 1)

 


 
    

 

 



 

 

   

 


 

s

     

  


     


     



 



 



     


  


     

     


chỉnh hệ số công suất theo thành phần dòng i
sq
dựa
theo quan hệ (13).

146 Trần Trọng Minh, Phạm Quang Đăng, Vũ Hoàng Phương VCM2012

2 2
sin
sq sq
s
sd sq
i i
i
i i
j  

(13)
3.3. Thuật toán tracking công suất cho hệ phát
điện sức gió
Công suất turbine được xác định [4].
 
2 3
1
,
2
w p

b l
l
l l b
b
w
l



 




   







 





 


5
3
1
2
p m
opt
opt
C
k Rrp
l


(17)
Theo đặc tính turbine pt(15) xác định được C
p-max

= 0,48 và λ
opt
= 8,1 (H.7)
Turbinespeed, (pu)
wt

Turbinmechanicalpower,P (pu)
w

H. 6 Đặc tính công suất turbine theo tốc độ gió

H. 7 Đặc tính Cp (λ,β)

4. Mô phỏng ZSI nối lưới cho trạm phát

Bán kính cánh turbine

5m
Cut in speed 3m/s
Cut out speed 25m/s
Tốc độ gió định mức 12m/s
Tỷ số truyền 1:1
Mật độ không khí 1,25 kg/m
3
Công suất máy phát
PMSG
20 kW
Điện trở stator PMSG R
s
= 0,1764Ω
Điện cảm PMSG L
d
= L
q
= 4,24mH
Tốc độ PMSG (tại f =
60Hz)
200 rpm
Số đôi cực 18
Dòng điện pha định mức 35A
Điện áp pha định mức 205V
Momen quan tính tổng
turbine và PMSG
J= 10kgm
2

10000
12000
14000
t(s)
P (W)

H. 9 Công suất tác dụng chuyển vào lưới
0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1
1.02
1.04
1.06
1.08
1.1
t(s)
HSCS

H. 10 Hệ số công suất cos(φ) khi xác lập
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4
100
200
300
400
500
600

0.4
0.42
0.44
0.46
0.48
0.5
t(s)
d

H. 13 Tỷ số shoot through

H. 14 Dòng điện đầu ra ZSI
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4
0.4
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45
0.46
0.47
0.48
0.49
0.5
t(s)
Cp

H. 15 Hệ số turbine Cp
Kết quả mô phỏng chỉ ra khi tốc độ gió biến đổi
điện áp trên tụ C giữ bằng hằng số (H.9), dòng

H. 18 Điện áp trên tụ C, điện áp cấp cho ZSI

H. 19 Công suất tác dụng chuyển vào lưới

H. 20 Dòng điện qua cuộn cảm

H. 21 Dòng điện đầu ra ZSI
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 149 Mã bài: 35

H. 22 Hệ số turbine Cp

6. Kết luận
Bài báo này đã trình bày chiến lược điều khiển ZSI
nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử dụng máy
phát PMSG. Kết quả mô phỏng đã chỉ ra hiệu quả
phương pháp này đảm bảo điện áp trên tụ C giữ
bằng hằng số và công suất máy phát đưa ra là lớn
nhất trong các điều kiện làm việc khi biến thiên
tốc độ gió dưới định mức.
Ngoài ra bài báo trình bày một giải pháp mô
phỏng thời gian thực với sự kết hợp card ds1103
và DSP TMS320F2812 nhằm giải quyết việc mô
hình hóa và thuật toán điều khiển hệ phát điện sức
gió. Đây là giải pháp hữu hiệu để mô phỏng hệ
thống mà có thể đòi hỏi nhiều khó khăn khi xây
dựng mô hình thí nghiệm.


Engineering Society General Meeting, San
Francisco, June 2005.
[7] R. Bojoi, F. Profumo, G. Griva, Remus
Teodorescu, Frede Blaabjer; Advanced
Research and Education in Electrical Drives by
Using Digital Real-Time Hardware-in-the-
Loop Simulation; Proceedings of PEMC'2002,
Dubrovnik, Kroatien.
[8] Frede Blaabjerg and Zhe Chen ; Power
Electronics for Modern Wind Turbines
(Synthesis Lectures on Power Electronics);
Morgan&Claypool Publishers.
[9] N. Hoffmann, R. Lohde, M. Fischer and F. W.
Fuchs, L. Asiminoaei, P.B. Thøgersen; A
Review on Fundamental Grid-Voltage
Detection Methods under Highly Distorted
Conditions in Distributed Power-Generation
Networks; Energy Conversion Congress and
Exposition (ECCE), 2011 IEEE.
[10] Matlab simpowersystems, published by
Mathworks, available at
/>ersys/ref/windturbine.html.
[11] Robinson F. de Camargo, Humberto Pinheiro;
Comparison of Six Digital Current Control
Techniques for Three-Phase Voltage-Fed PWM
Converters Connected to the Utility Grid;
Power Electronics Specialists Conference,
2005. PESC '05. IEEE 36th.
[12] Poh Chiang Loh, D. Mahinda Vilathgamuwa,
Yue Sen Lai, Geok Tin Chua and Yunwei Li,

chuyên ngành Tự động hóa XNCN – khoa Điện -
ĐHBKHN. Hiện đang là Nghiên cứu sinh khóa
2010÷2014 chuyên ngành Thiêt bị và hệ thống
điều khiển tự động - ĐHBKHN. Hiện đang công
tác tại Viện kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa –
ĐHBKHN. Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển điện
tử công suất, ứng dụng điện tử công suất trong
lưới điện thông minh,