ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI
LƯỚI CHO TUABIN GIÓ VÀ NGUỒN PIN MẶT TRỜI
APPLYING OF POWER ELECTRONIC CONVERTERS IN GRID -CONNECTED
CONTROL OF WIND TURBINE AND SOLAR CELL SOURCES
Lê Kim Anh

Xin AI

Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa

North China Electric Power University

TÓM TẮT
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió cũng như nguồn pin
mặt trời để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ
thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Nối
lưới tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất có những ưu
điểm như: Hệ thống nối lưới chủ động được nguồn nhiên liệu đầu vào, khả năng truyền năng
lượng theo cả 2 hướng. Kết hợp với mạch lọc sẽ giảm sóng hài qua lưới và loại trừ các sóng
hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa
ra được kết quả mô phỏng điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng
các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải
nối với hệ thống.
Từ khóa: Các bộ biến đổi điện tử công suất, điều khiển nối lưới, năng lượng tái tạo.
ABSTRACT
The research on using and exploiting effectively wind energy and solar cell sources to
generate electricity is meaningful to reduce the climate change. They also reduce dependence
of power demand on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and
causing environmental pollution. Using power electronic converters for grid connecting of
wind turbine and solar cell sources have some advantages such as active fuel input and
capability of power transferring in both directions. The combination of harmonic filter circuits

biến đổi điện tử công suất giữ vai trò rất


quan trọng trong các hệ thống điều khiển
năng lượng tái tạo (Renewable Energy
sources - RES). Hệ thống điều khiển nối
lưới cho tuabin gió với nguồn pin mặt trời
2. Các bộ biến đổi điện tử công suất

sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất,
nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông
minh và điều khiển linh hoạt các nguồn
năng lượng tái tạo.

Hệ thống điều khiển nối lưới các nguồn
điện phân tán (Distributed Energy Resources
– DER) nói chung và tuabin gió với nguồn
pin mặt trời nói riêng. Theo [1], tuabin gió
sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous
generator - PMSG) kết hợp với nguồn pin
mặt trời (Photovoltaic cell) hệ thống bao gồm

các thành phần cơ bản, như hình 1. Các bộ
biến đổi điện tử công suất thực hiện nhiệm vụ
như sau: Tuabin gió qua máy phát điện cho ra
điện áp (AC), qua bộ chỉnh lưu (AC/DC) đưa
ra điện áp một chiều (DC). Pin mặt trời cho ra
điện áp một chiều (DC). Tất cả các điện áp
một chiều (DC) này qua bộ nghịch lưu

Stator

AC
Bộ chỉnh lưu
AC/DC

Máy phát điện

Bus DC
Bộ nghịch lưu
DC/AC

Lưới
điện

Hình 1. Điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất

2.1. Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC
Mục đích của bộ biến đổi 2 trạng
thái DC/DC là tạo ra điện áp một chiều (DC)
được điều chỉnh để cung cấp cho các tải
thay đổi, bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC giữ
vai trò rất quan trọng trong các hệ thống
điều khiển năng lượng tái tạo (Renewable
Energy sources - RES). Để ổn định điện áp
đầu ra cho bộ biến đổi thì đòi hỏi các bộ
điều khiển phải hoạt động một cách tin cậy,

do điện áp ở đầu ra của pin mặt trời không
đủ lớn để có thể cung cấp cho đầu vào của


1
T

DT

 U i I L dt 
0

1
Ui
T

Với điều kiện dòng qua cuộn dây L là hằng
số, công suất qua cuộn dây L được viết lại
như sau:

Pin

DT



I L dt (1)

1

U iIL
T


T

Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như
sau:

 U 0 I L dt (3)

U0
 D  (5)
 

Ui
1  D 

Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL là hằng
số lúc đó công suất đầu ra được viết lại như
sau:

Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ
tăng lên, nhờ bộ điều khiển xung kích ta có
thể điều chỉnh điện áp ra mong muốn bằng
việc điều chỉnh D.

Pout 

 U L I L dt 
0

0


di a
 Ri a
dt
di
L b  Ri b
dt
di
L c  Ri c
dt
du dc
C
 id
dt
L

 e a  ( S a u dc  u N 0 )

di d
 e d  Ri d  S d u dc   Li q
dt
di
L q  e q  Ri q  S q u dc   Li d (7)
dt
3S q
du dc
3S d
C

id 
iq  i L

ut1  ut 2  ut 3  0 (8)
Gọi N là điểm nút của tải 3 pha dạng hình
(Y). Dựa vào sơ đồ hình 5, điện áp pha của
các tải được tính như sau:

20

 u

u t 3  u 30  u
Với u N 0 

N 0
N 0

(9)

NO

u 10  u 20  u 30
(10)
3

Thay biểu thức (10) vào biểu thức (9) ta có
phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như
sau:


2 u 10  u 20  u 30
3


30

u

t 31

 u

30

 u 1O

(12)

Biên độ sóng hài bậc k: Ak

*. Tác hại của sóng hài bậc cao đến bộ
nghịch lưu
Biên độ sóng hài có thể xác định dựa theo
khai triển chuỗi Fourier của điện áp ngõ ra
như sau:




ut  U tAV   ak sin( k .x)   bk cos(k .x) (13)
k 1

k 1



(14)

Thông thường dạng áp của tải có tính chất
của hàm lẽ, do đó: b k=0, Ak = ak.
Biên độ sóng hài cơ bản Ut(1)m:

1


2

u

t

sin x .dx (15)

0

sin( k . x ) dx
Và biên độ sóng hài bậc k:

0
2

U t (k )m  Ak 

 u t cos( k . x ) dx

u

t

sin( k . x ). dx (16)

0

2

 u .dx
t

0

2.2.3. Cấu trúc điều khiển cho bộ chỉnh
lưu và nghịch lưu

K 

Vd*   K dp  di  id*  id  ed  Liq (17)
S 


Theo [5], giá trị đầu ra của điện áp
qua bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, chuyển
sang hệ tọa độ dq được xác định như sau:

K qi  *



3. Mô hình tuabin gió và pin mặt trời
3.1. Mô hình tuabin gió
Theo [6], công suất của tuabin gió
được tính theo biểu thức:
Pm  C

p

( ,  )

A 3
v (19)
2

Trong đó: Pm: Công suất đầu ra của tuabin
(W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi năng lượng (là tỷ
số giữa tốc độ đầu cánh λ và góc cánh β); A:
Tiết diện vòng quay của cánh quạt (m2); ρ:
Mật độ của không khí, ρ = 1.255 (kg/m3). Từ
biểu thức (19) ta thấy vận tốc gió là yếu tố
quan trọng nhất của công suất; công suất
đầu ra tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc.

Hình 9. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa C p và λ
Đường
tối ưu

Hệ số biến đổi năng lượng Cp(λ, β) của biểu
thức (19) được tính như sau:



(22)

Mặt khác tuabin gió có thể vận hành theo
các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc
vào tốc độ của gió. Đường cong biểu diễn
mối quan giữa Pm và tốc độ gió, như hình
10. Từ các biểu thức (19), (20), (21), (22) đã

Hình 11. Mô hình tuabin gió

phân tích ở trên, mô hình tuabin gió được xây
dựng trên Matlab/Simulink với thông số đầu
vào tốc độ gió, tốc độ của máy phát điện và
thông số đầu ra mômen, như hình 11.

3.2. Mô hình máy phát điện (PMSG)
Mô hình máy phát điện đồng bộ nam
châm vĩnh cửu (PMSG) có hai loại hệ trục
tọa độ được sử dụng: hệ tọa độ  gắn cố
định với stator và hệ tọa độ dq còn gọi là hệ
tọa độ tựa hướng từ thông rotor, như hình 12.
Theo [7], phương trình dòng điện và điện áp

của PMSG biểu diển trên hệ tọa độ dq như
sau:

L sq
di sd

đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí
ngang cực;  p từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd,

mM 

3
Pc  p isq  i sd i sq ( L sd  L sq ) (25)
2





Để xây dựng mô hình PMSG trên matlab
/simulink dựa vào biểu thức (23),(24),(25),
như hình 13.

Tsq là hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh
cực. Phương trình mômen tính như sau:
UA
Tọa độ
α

θ
ωs

Tọa độ
d

Tọa độ

điểm cực đại MPP (Maximum Point Power).
Hệ bám điểm công suất cực đại MPPT
(Maximum Point Power Tracking) được sử

Hình 15. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

dụng để đảm bảo rằng pin mặt trời luôn luôn
làm việc ở điểm MPP bất chấp tải được nối
vào pin.
* Dòng điện đầu ra của pin theo [8]
được tính như sau:
  q(V  IRs    V  IRs
 1  
I  I ph  Is exp
  KTc A    Rsh


 (26)


Trong đó: q: điện tích electron = 1.6 x10-19
C, k: hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10 -23J/K,
Is: là dòng điện bão hòa của pin, Iph: là dòng
quang điện, Tc: nhiệt độ làm việc của pin,
Rsh : điện trở shunt, Rs : điện trở của pin, A:
hệ số lý tưởng. Theo biểu thức (26) dòng


quang điện phụ thuộc vào năng lượng mặt
I ph  I sc  K I ( T c  T ref ) . H (27)

Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với
nhiệt độ của pin được tính như sau:
 qE G ( T c  T ref 
T
I s  I RS ( c ) 3 exp 
 (28) NpIph
T ref
 T ref T c kA 
Trong đó: IRS: là dòng bão hòa ngược ở bề
mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời, EG:
năng lượng vùng cấp của chất bán dẫn, phụ
thuộc vào hệ số lý trưởng và công nghệ làm
pin. Mặt khác một pin mặt trời có điện áp
khoảng 0,6V, do đó muốn có điện áp làm
việc cao thì ta mắc nối tiếp các pin, muốn có
dòng điện lớn thì mắc song song, như hình
16. Vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là:

Hình 17. Mô hình pin mặt trời(PV)

Hình18. Điều khiển bám điểm công suất cực đại

NsRs/Rsh
+

NsRs/Rsh
Np

V


1200

200

1000
150

800
100

600
400

50

200
0
0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.18

0.2

Hình 21. Điện áp ra DC bộ chỉnh lưu (V)
500

400

200

0

0

-200

-400
0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1



0.18

0.2

Hình 23. Điện áp ra bộ nghịch lưu (V)

350

50

300

40

Điện áp (V)

250
200

30

150

20

Dòng điện (A)

100
10

Hình 24.Công suất của pin(W)

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

Hình 25. Dòng điện và điện áp của pin

14000

12000

12000

10000


0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0
0

Hình 26. Công suất tuabin gió(W)

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12


x 10

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

Hình 28.Điện áp ngõ ra Uabc(V)

4

-60
0



0

-1

-2

-2
0

0.02

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

Hình 30.Điện áp nối lưới Uabc(V)


điều khiển bám điểm công suất cực đại
(MPPT), đã phát huy đối đa công suất phát
ra, đồng thời công suất pin mặt trời (PV) thu
được luôn đạt giá trị cực đại. Tại thời điểm t
= 0.02s đóng tải, dòng điện và điện áp đầu
ra luôn bằng giá trị đặt và hệ thống điều

khiển luôn làm việc ở trạng thái ổn định. Mô
hình nối lưới được thông qua máy biến áp
400V/22kV và đường dây tải điện. Điều
khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin
mặt trời ứng dụng các bộ biến đổi điện tử
công suất nhằm hướng đến việc phát triển
lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới
linh hoạt cho các nguồn phân tán.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodriguez, 2011, Gird converters for
Photovoltaic and Wind Power Systems, A John Wiley and sons, Ltd, Publication.
[2] Bengt Johansson, 2003, Improved Models for DC-DC Converters, Department of
Industrial Electrical Engineering and Automation Lund University.
[3] Haoran Bai, Fengxiang Wang, Junqiang Xing, 2007,Control Strategy of Combined PWM
Rectifier/ Inverter for a High Speed Generator Power System, IEEE.
[4] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa
TP. Hồ Chí Minh.
[5] Degang Yang, Liangbing Zhao, Runsheng Liu, 1999, Modeling and closed – loop
cotroller design of three – phase high power factor Rectifier, power Electronics, 49 – 52.
[6] Đặng Ngọc Huy, Lê Kim Anh, 2012, Nghiên cứu mô hình tuabin gió sử dụng máy phát
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lưới, Tạp san khoa học và công nghệ, Đại Học Công
Nghiệp Quảng Ninh, Số (10), 43-47.