Điều khiển phi tuyến thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ tích hợp cho hệ thống phát điện sức gió

này được thể hiện trên hình 3. Công suất tác dụng 
đầu ra WT sẽ được ổn định ngắn hạn (làm trơn) nếu các thành phần công suất biến động tần số cao 
được hấp thụ bởi thiết bị kho điện. Thuật toán lọc thông thấp sẽ được sử dụng để xác định lượng 
đặt công suất (tầng điều khiển cấp thiết bị) cho tầng điều khiển cấp bộ biến đổi. Bộ biến đổi DC-AC 
được điều khiển theo phương pháp VOC (Voltage Oriented Control) sử dụng các bộ điều khiển kinh 
điển PI, Dead-beat tác giả vận dụng các kết quả nghiên cứu theo tài liệu [6, 10]. 
Đối với bộ biến đổi NBDC, tác giả tìm kiếm một thuật toán điều khiển được thiết kế dựa trên 
mô hình phi tuyến bilinear model (1) để kiểm soát chính xác dòng điện qua cuộn cảm cả về chiều và 
độ lớn. Dòng điện 𝑖𝐿 phải bám dòng điện tham chiếu 𝑖𝐿𝑟𝑒𝑓. Quá trình thiết kế điều khiển được tóm 
tắt như sau: 
Gọi sai lệch giữa biến trạng thái x1 và giá trị đặt iLref là z1. 
2
1 1
1 1
SCL
Lref
Lref
uR x
z x d i
L L L
z x i
 (2) 
Trong trường hợp này, tác giả chọn luật điều khiển phản hồi như (3) với k1 là hằng số dương 
tùy ý, α1 được gọi là hàm ổn định hóa (Stabilizing function) 
 1 1 1 1
1 SCL
Lref
uR
k z x i
d L L
 (3) 
Gọi sai lệch giữa giá trị thật của biến trạng thái với giá trị mong muốn là z2 như sau: 
Hình 2. Phân tích nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi NBDC 
CRL,L
SBK
SBS
DBS
DBK
+
-
Li
invi
Ci
CRL,L
SBK
SBS
udc
DBS
DBKSC
+
-
Li
invi
Ci
NBDC in 
Charge mode
NBDC in
Discharge mode
SBK
DBK
SBS
DBS
0
( ) ( ) on
S
SC
trh
DC
T
q t d t
T
u
d
u
ONT
ST
OFF
T
Driver
1q
0q
Driver
0q
1q
SCu
DCu
SCu
q
dcu
Li
0A
0V
0V
SBK
DBK
SBS
DBS
t
Li
0A
dcu
0
DC
U
SCu
0
SC
U
t
0V
0V
q
0
DC
U
0
SC
U
trhd d trhd d
SC
SCu
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 32 
 22 1
x
z
L
 (4) 
Đạo hàm (4) theo thời gian thu được: 
1 1 1 1
2
2
1 1 1
inv SCL
Lref
i uR d
x d k z x i
L C C d L L d
x
z
L
 (5) 
Hệ phương trình trạng thái (1) được mô tả lại trên không gian trạng thái mới (z1, z2) theo (2) 
và (5). Từ đây, bài toán điều khiển bám đối với hệ (1) trở thành bài toán thiết kế bộ điều khiển phản 
hồi trạng thái để hệ kín ổn định tiệm cận tại điểm cân bằng (0,0) trên không gian trạng thái (z1, z2). 
Trường hợp này, tác giả chọn hàm V2 xác định dương 2
2 1 2
1
2
V V z . Lấy đạo hàm theo thời gian 
và thực hiện biến đổi thu được(6). Với hằng số k2>0 là tham số của luật điều khiển. Để hệ (z1,z2) là 
GAS thì (𝑉2̇) phải xác định âm, Từ đó xác định tín hiệu điều khiển thực chính là hàm điều chế như 
(7). 
2 2
2 1 1 2 2 2 1 2 2 2z zV k k z dz z k z (6) 
2 2
1 2 2 1 1 2 1 1 1 2
1 1 1
inv SC SCL L
Lref
i u uR R
d d z dc z x d d i c dz c z x x d
LC LC L L L L L
 (7) 
Kiểm tra lại tính ổn định của hệ bằng cách thay (7) vào (5) ta thu được hệ phương trình mô tả 
DC-DC như (8). Hệ (8) có điểm cân bằng (z1,z2)=(0,0). Xét hàm 2 21 2
1 1
2 2
V z z và lấy đạo hàm theo 
thời gian thu được (9). Với k1>0, k2>0 hàm �̇� xác định âm, hệ ổn định tiệm cận tại điểm cân bằng. 
Do đó, lim
𝑡→∞
(𝑖𝐿 − 𝑖𝐿𝑟𝑒𝑓) = 0 và hàm V là hàm điều khiển Lyapunov. 
1 2 1 1
2 1 2 2
z z k z
z z k z
 (8) 
 2 21 1 2 2 1 1 2 2V z z z z k z k z (9) 
PWM÷ Nonlinear Controller
Grid-Codes
PLL
S
U
P
E
R
C
A
P
A
C
IT
O
R
S
GRID
SVM
AC
DC
+
Current Controller
DC
DC
EMA
Link Filter
Hình 3. Cấu trúc điều khiển hệ SCESS 
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 33 
5. Kết quả mô phỏng 
Tác giả sử dụng công cụ mô phỏng 
Matlab/SimPowerSystems để mô phỏng kiểm 
chứng với hệ thống điện ốc đảo. Kho điện có các 
tham số: 𝑈𝐷𝐶
𝑟𝑒𝑓 = 700𝑉, 𝐶𝑆𝐶 = 10.75𝐹, 𝑅𝐿 =
0.05Ω, 𝐿 = 1.4𝑚𝐻, 𝐶𝐷𝐶 = 650 µ𝐹. Kịch bản phụ 
tải thay đổi như thể hiện triên hình 4. Profile gió 
như minh họa trên hình 5 là dữ liệu thu được từ 
mô hình tạo gió ngẫu nhiên được nghiên cứu và 
phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia về năng 
lượng tái tạo thuộc Đại học Kỹ thuật Đan mạch 
[11]. 
WTG được điều khiển không những thỏa 
mãn bài toán tracking công suất để khai thác hiệu quả cơ năng nhận được từ gió biến đổi thành điện 
năng mà còn phải đảm bảo bám lưới để cung cấp công suất lưới như thể hiện trên hình H. 5. Công 
suất tác dụng biến động theo tốc độ gió nên để giảm thiểu các biến động công suất đầu ra WTG, 
thiết bị kho điện SCESS sẽ được tích hợp để trao đổi công suất. Như minh họa trên hình H.6, điện 
áp DC-link được điều khiển ổn định phản ánh yếu tố cân bằng công suất trao đổi giữa siêu tụ với 
lưới. Các thành phần của vector dòng điện (id, iq) của DC-AC được áp đặt nhanh và chính xác làm 
cơ sở cho những mục tiêu điều khiển độc lập các thành phần công suất P và Q. Thêm vào đó, dòng 
điện phóng/nạp tụ được kiểm soát hoàn toàn thông qua bộ biến đổi DC-DC cả về chiều và độ lớn 
nhờ thuật toán điều 
khiển phi tuyến đã 
thiết kế. SCESS đã 
tham gia tự động vào 
quá trình ổn định 
ngắn hạn công suất 
đầu ra của turbine 
PĐSG được thể hiện 
trên hình 6. Mục tiêu 
ổn định ngắn hạn 
công suất đầu ra của 
WTG đã được đảm 
bảo. So với bộ điều 
khiển PI, chất lượng 
điều khiển của thuật 
toán điều khiển phi 
tuyến đã thiết kế tỏ ra 
hiệu quả hơn thể hiện 
ở đồ thị công suất 
đầu ra không còn tồn 
tại những hiện tượng 
gai nhọn bất thường, 
điều này làm cho quá 
trình trao đổi công 
suất hai chiều với 
lưới diễn ra trơn tru, 
hiệu quả. 
20 kW
0 7 17 27 60
Time [sec]
20 kW
10 kW
20 kW
10 kW
10 kW
5 kVAR
20 kW
10 kW
Hình 4. Kịch bản phụ tải 
Hình 5. Các đặc tính hệ phát điện sức gió 
Hình 6. Các đặc tính của thiết bị SCESS 
0 10 20 30 40 50 60
5
6
7
8
9
Time [sec]
V
W
in
d 
[m
/s
]
WIND SPEED
0 10 20 30 40 50 60
8
10
12
14
16
Time [sec]
O
m
e
g
a
 [r
a
d
/s
]
TURBINE ROTATIONAL SPEED
0 10 20 30 40 50 60
-5
0
5
10
15
20
Time [sec]
P
W
in
d 
[K
W
] -
 Q
W
in
d 
[V
A
R
]
WIND TURBINE ACTIVE & REACTIVE POWER
P
Wind
Q
Wind
0 10 20 30 40 50 60
-20
-10
0
10
20
i L
 [
A
]
CHARGE/DISCHARGE CURRENT RESPONSE
0 10 20 30 40 50 60
690
695
700
705
710
Time [sec]
V
D
C
-B
U
S
 [
V
]
DC-LINK VOLTAGE
0 10 20 30 40 50 60
-20
-10
0
10
20
Time [sec]
i d
; 
i q
 [
A
]
VECTOR OF INVERTER CURRENT
0 10 20 30 40 50 60
76.5
77
77.5
78
Time [s]
S
O
E
 [
%
]
STATE OF ENERGY
(1) i
d
ref
(1) i
d
actual
(2) i
q
ref
(2) i
q
actual
i
L
ref
i
L
actual
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 34 
6. Kết luận 
Bài báo này đề xuất một cấu trúc điều khiển tổng thể thiết bị kho điện SCESS tích hợp cho 
đầu ra hệ phát điện sức gió có sử dụng thuật toán điều khiển phi tuyến áp dụng cho bộ biến đổi công 
suất DC-DC hai chiều không cách ly. Từ những kết quả mô phỏng nhận thấy, công suất trao đổi 
giữa SCESS với lưới bám chính xác theo giá trị đặt khi sử dụng bộ điều khiển đã đề xuất. Điều này 
này giúp loại bỏ biến động công suất tần số cao của hệ phát điện sức gió, là cơ sở để nâng cao chất 
lượng điện năng trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. J. K. Kaldellis, "Stand-alone and hybrid wind energy systems," ed: Woodhead Publishing Limited, 
2010. 
[2]. F. Díaz-González, A. Sumper, O. Gomis-Bellmunt, and R. Villafáfila-Robles, "A review of energy 
storage technologies for wind power applications," Renewable and Sustainable Energy 
Reviews 16 (2012) 2154– 2171, 2012. 
[3]. S. I. Gkavanoudis and C. S. Demoulias, "A combined fault ride-through and power smoothing 
control method for full-converter wind turbines employing Supercapacitor Energy Storage 
System," Electric Power Systems Research 106 (2014) 62– 72, 2014. 
[4]. N. Mendis and K. Muttaqi, "An integrated control approach for standalone operation of a 
hybridised wind turbine generating system with maximum power extraction capability," Electrical 
Power and Energy Systems 49 (2013) 339–348, 2013. 
[5]. S. B. g. Energie, "Energy storage technologies for wind power integration " Université Libre de 
Bruxelles, 2010. 
[6]. M. L. P. R. Remus Teodorescu, "Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems," 
ed: John Wiley & Sons, Ltd. ISBN: 978-0-470-05751-3, 2011. 
[7]. M. G. Molina, "Dynamic Modelling and Control Design of Advanced Energy Storage for Power 
System Applications. Source: Dynamic Modelling," Book edited by: Alisson V. Brito, ISBN 978-
953-7619-68-8, pp. 290, January 2010, INTECH, Croatia, downloaded from SCIYO.COM, 2010. 
[8]. S. C. W. Kramer, B. Kroposki, and H. Thomas, "Advanced Power Electronic Interfaces for 
Distributed Energy Systems," Technical Report NREL/TP-581-42672 March 2008, 2008. 
[9]. S. Bacha, I. Munteanu, and A. I. Bratcu, Power Electronic Converters Modeling and Control: 
Springer London Heidelberg New York Dordrecht, 2014. 
[10]. N. Quang and J. Dittrich, "Vector control of three phase AC machine - System Development in 
the Practice," Springer, Berlin – Heidelberg, 2008. 
[11].F. Iov, A. D. Hansen, P. Sørensen, and F. Blaabjerg, "Wind Turbine Blockset in 
Matlab/Simulink," Institute of Energy Technology, AALBORG UNIVERSITY, 2004. 
Ngày nhận bài: 23/2/2017 
Ngày phản biện: 21/3/2017 
Ngày duyệt đăng: 26/3/2017 
Hình 7. Hiệu quả ổn định công suất ngắn hạn 
0 10 20 30 40 50 60
-10
-5
0
5
10
15
20
Time [sec]
P
 [
K
W
]
ACTIVE POWER SMOOTHING ACTION (PI)
0 10 20 30 40 50 60
-10
-5
0
5
10
15
20
ACTIVE POWER SMOOTHING ACTION (Nonlinear)
Time [sec]
P
 [
K
W
]
0 10 20 30 40 50 60
-10
-5
0
5
10
Time [sec]
P
 [
K
W
]
SCESS ACTIVE POWER (PI)
0 10 20 30 40 50 60
-10
-5
0
5
10
Time [sec]
P
 [
K
W
]
SCESS ACTIVE POWER (Nonlinear)
P
ESS
ref
P
ESS
actual
P
ESS
ref
P
ESS
actual
P
wind
P
WindF
 (PI Controller)
P
wind
P
WindF
 (Nonlinear Controller)