Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời

có nhiều phương pháp để điều khiển cho bộ chỉnh lưu PWM như phương pháp: 
VOC, DPC, VFVOC, VFDP.
Dựa vào sơ đồ hình 4, ta xây dựng biểu thức điện áp của bộ chỉnh lưu PWM như sau:
Hình 4. Sơ đồ dòng điện và điện áp của bộ chỉnh lưu [3]
Biểu thức (6) chuyển sang hệ tọa độ dq 
được viết lại như sau:
2.2.2. Mô hình toán học cho bộ nghịch lưu
Theo [4], bộ nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp môt chiều thành điện áp xoay 
chiều ba pha có thể thay đổi được tần số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt của các van, 
như hình 5.
60
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp:
0321 =++ ttt uuu (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: 
{
NOt
Nt
Nt
uuu
uuu
uuu
−= −=
−=
303
0202
0101
(9)
Với 3
302010
0
uuu
uN
++= (10)
Thay biểu thức (10) vào biểu thức (9) ta có phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như sau:
{
3
2
3
2
3
2
201030
3
103020
2
302010
1
uuu
u
uuu
u
uuu
u
t
t
t
−−=
−−=
−−=
(11)
Điện áp dây trên tải được tính như sau: 
{
Ot
t
t
uuu
uuu
uuu
13031
302023
201012
−= −=
−=
(12)
61
Ứng dụng các ...
Thành phần điện áp thứ tự không có thể bỏ qua vì giả thiết tải đối xứng, nên điện áp thứ 
tự không sẽ không tạo ra dòng điện. Tuy nhiên nếu trong trường hợp có hai bộ nghịch lưu nối 
song song với các điểm nối trực tiếp ở cả phía xoay chiều và một chiều sẽ gây ra dòng điện thứ 
tự không chạy vòng vì xuất hiện đường dẫn của nó, khi đó ta không thể bỏ qua dòng điện thứ 
tự không.
 y 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: 
).cos().sin(
11
xkbxkaUu
k
k
k
ktAVt ∑∑ ∞=∞= ++= (13)
 ∫= ππ 20 ).sin(1 dxxkua tk
Với: ∫= ππ 20 ).cos(1 dxxkub tk
 ∫= ππ 20 .21 dxuU ttAV
Biên độ sóng hài bậc k: Ak ( )2122 kkk baA += (14)
Thông thường dạng áp của tải có tính chất của hàm lẽ, do đó: bk=0, Ak = ak.
Biên độ sóng hài cơ bản Ut(1)m:
 ∫== ππ 201)1( .sin1 dxxuAU tmt (15)
Và biên độ sóng hài bậc k: ∫== ππ 20)( )..sin(1 dxxkuAU tkmkt (16)
2.2.3. Cấu trúc điều khiển cho bộ chỉnh lưu và nghịch lưu
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: ( ) qddddidpd Lieii
S
KKV ω++− +−= ** (17)
 ( ) dqqqqiqpq Lieii
S
KKV ω−+− +−= ** (18)
62
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Hình 7. Sơ đồ điều khiển cho 2 mạch vòng 
dòng điện [5]
Hình 8. Điều khiển mạch vòng của dòng 
điện [5]
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:
3
2),( v
ACP pm ρbλ= (19)
Trong đó: Pm: Công suất đầu ra của tuabin (W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi nĕng 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 tĕng theo lũy thừa 3 của vận tốc. 
Hệ số biến đổi nĕng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (19) được tính như sau: 
λbλbλ λ 0068.0)54.0116(5176.0),( 21 +−−= − ieC ip (20)
với 31
035.0
08.0
11 bbλλ +−+=i (21)
 y Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió và tốc độ là: vRωλ = trong đó ω tốc độ quay của tuabin, R bán kính của tuabin, v vận tốc của gió. Do vậy mômen của tuabin gió được 
tính như sau: 
3
3
5
2
1 λωπρω pmm CRPT == (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 9. Từ các biểu thức 
(19), (20), (21), (22) đã 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 10.
63
Ứng dụng các ...
Hình 9. Đường cong mối quan giữa Pm và 
tốc độ gió
Hình 10. Mô hình tuabin gió
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 ab gắn cố định với stator và hệ tọa độ dq còn gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ 
thông rotor, như hình 11. Theo [7], phương trình dòng điện và điện áp của PMSG biểu diển trên 
hệ tọa độ dq như sau:
sd
sd
sq
sd
sq
ssd
sd
sd uLiL
Li
Tdt
di 11 ++= ω (23)
sq
p
ssq
sq
sq
sq
sd
sq
sd
s
sq
LuLiTiL
L
dt
di ψωω −+−−= 11 (24)
Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực; 
pψ từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq là hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực. Phương trình 
mômen tính như sau: [ ])(23 sqsdsqsdsqpcM LLiiiPm −+= ψ (25) 
Để xây dựng mô hình PMSG trên matlab /simulink dựa vào biểu thức (23),(24),(25), như 
hình 12. 
Hình 11. Hệ trục tọa độ αβ và dq Hình 12. Mô hình máy phát điện PMSG
64
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
3.3. Mô hình pin mặt tr̀i (PV)
* Theo quan điểm nĕng lượng điện tử, thì pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) có thể được 
coi là như những nguồn dòng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V như hình 13. 
Hình 13. Đặc tính làm việc của pin mặt trời Hình 14. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Hiệu suất của tấm pin mặt trời đạt giá trị lớn nhất khi pin mặt trời cung cấp công suất cực 
đại. Theo đặc tính phi tuyến trên hình 13 thì nó sẽ xảy ra khi P-V là cực đại, tức là P-V = Pmax 
tại thời điểm (Imax,Vmax) được gọi là điểm cực đại MPP (Maximum Point Power). Hệ bám điểm 
công suất cực đại MPPT (Maximum Point Power Tracking) được sử 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: 
 +− − +−= sh sc ssph RIRVAKT IRVqIII 1(exp (26)
Trong đó: q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k: hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K, I
s
: 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 nĕng lượng mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin do đó:[ ]HTTKII refcIscph .)( −+= (27)
Với: Isc: là dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 250C, KI: hệ số nhiệt độ của dòng điện ngắn mạch, 
Tref: nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), H: bức xạ của mặt trời kW/m2. Ở đây giá trị 
dòng điện bão hòa của pin với nhiệt độ của pin được tính như sau:
 −= kATT TTqETTII cref refcGrefcRSs (exp)( 3 (28)
Trong đó: IRS: là dòng bão hòa ngược ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời, EG: nĕng 
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 15. Vậy dòng điện một 
modul tấm pin sẽ là: 
 (29)
65
Ứng dụng các ...
Hình15. Dòng điện 1 modul tấm pin
Từ các biểu thức (26), (27), (28), (29) đã phân tích ở trên, mô hình pin mặt trời được 
xây dựng trên Matlab/Simulink với các ngõ vào là dòng điện, nhiệt độ. Ngõ ra là công suất 
và điện áp của pin, như hình 16. 
Hình 16. Mô hình pin mặt trời(PV)
4. Mô phỏng trên Matlab – Simulink 
Hình 17. Điều khiền nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng 
các bộ biến đổi điện tử công suất
 y Kết quả mô phỏng
Hình 18. Điện áp ra DC bộ biến đổi 
DC/DC (V)
Hình 19. Điện áp ra DC bộ chỉnh lưu (V)
Hình 17. Điều khiền nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất
66
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Hình 20. Điện áp AC bộ chỉnh lưu (V) Hình 21. Điện áp ra bộ nghịch lưu (V)
Hình 22.Công suất của pin(W) Hình 23. Dòng điện và điện áp của pin
Hình 24. Công suất tuabin gió(W) Hình 25. Công suất tổng 
( tuabin gió+ pin)(W)
Hình 26. Điện áp ngõ ra Uabc(V) Hình 27. Dòng điện ngõ ra Iabc(A)
Hình 28. Điện áp nối lưới Uabc(V) Hình 29. Dòng điện nối lưới Iabc(A)
5. Kết luận 
Điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời ứng dụng các bộ biến đổi điện tử 
công suất, kết hợp với giải thuật 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 
67
Ứng dụng các ...
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 Rectiier/ 
Inverter for a High Speed Generator Power System, IEEE.
[4] Nguyễn Vĕn 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 Rectiier, 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.
[7] Nguyễn Phùng Quang, 2006, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản 
Khoa học kỹ thuật.
[8] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc Huy, 2012, Mô hình điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt 
trời, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại Học Đà Nẵng, Số 11(60), 1-6