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

56
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO TUABIN GIÓ VÀ NGUỒN PIN MẶT TRỜI 
Lê Thị Kim Anh* 
 Xin Ai **
TÓM TẮT
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn nĕng 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 nĕng truyền nĕng 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 nĕng. 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, nh̀m 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, nĕng lượng tái tạo.APPLYING OF POWER ELECTRONIC CONVERTERS IN GRID -CONNECTED CONTROL OF WIND TURBINE AND SOLAR CELL SOURCES
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 ilter circuits to ilter high order 
harmonics out of injecting to grid will have a signiical effect on power quality improving. The 
article gives the result of modulating grid-connected control of an integrated wind turbine and 
solar cell power system using power electronic converters to maintain maximum capacity of the 
systems with a disregard of connected power loads.
Key words: Power Electronic Converter, Grid-connected control, renewable energy.
* GV Khoa điện – điện tử, Trường cao đẳng công nghiệp Tuy Hòa. Tỉnh Phú Yên.
** GV Trường Đại Học Điện Lực Hoa Bắc, Trung Quốc. Email: tdhlekimanh@gmail.com
57
Ứng dụng các ...
1. Đặt vấn đề 
Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng nĕng lượng của con 
người ngày càng tĕng. Nguồn nĕng lượng tái tạo nói chung, nguồn nĕng lượng gió và nguồn pin 
mặt trời nói riêng là dạng nguồn nĕng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời 
tiềm nĕng về trữ lượng nĕng gió cũng như nguồn pin mặt trời ở nước ta rất lớn.Tuy nhiên, để 
khai thác, sử dụng nguồn nĕng lượng gió và nguồn pin mặt trời sao cho hiệu quả, giảm phát thải 
các chất gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí (CO2) đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều 
quốc gia. Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC tạo ra điện áp một chiều (DC) được điều chỉnh để 
cung cấp cho các tải thay đổi, bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện dùng điều chỉnh hòa 
đồng bộ cho máy phát điện cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết. Bộ nghịch 
lưu (DC/AC) phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian, đồng thời đưa ra 
điện áp (AC) nối lưới. Các bộ biến đổi điện tử công suất giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ 
thống điều khiển nĕng lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES). Hệ thống điều khiển 
nối lưới cho tuabin gió với nguồn pin mặt trời 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 nĕng lượng tái tạo. 
2. Các bộ biến đổi điện tử công suất 
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 (DC/AC) đưa ra điện 
áp (AC) nối lưới.
Hình 1. Điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi 
điện tử công suất
58
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
 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 nĕng 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 chođầu 
vào của bộ nghịch lưu (DC/AC). Do đó ta phải sử dụng bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC để 
nâng điện áp đầu ra đạt yêu cầu. Theo [2], bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC (Buck – Boots 
Converter) như hình 2, với giản đồ xung đóng ngắt như hình 3. 
Hình 2. Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC [2] Hình 3. Giản đồ xung đóng ngắt của bộ biến 
đổi DC/DC [2]
2.1.1. Khi Switch ở trạng thái đóng
Ta xét trong khoảng thời gian t = 0 đến t = DT, điện áp trên cuôn dây L là U
i
. Khi đó công 
suất trên cuộn dây L được tính như sau: 
dtIU
T
dtIU
T
P
DT
Li
DT
Liin ∫∫ ==
00
11 (1)
Với điều kiện dòng qua cuộn dây L là hằng số, công suất qua cuộn dây L được viết lại như 
sau:
DIUdtIU
T
P Li
DT
Liin == ∫
0
1 (2)
2.1.2. Khi Switch ở trạng thái ngắt
Ta thấy nĕng lượng trên cuộn dây L bắt đầu xả ra, Diode bắt đầu dẫn điện áp trên cuộn dây 
L cung cấp cho tải U0. Khi đó ta có công suất trên tải:
dtIU
T
dtIU
T
P
DT
L
DT
LLout ∫∫ ==
0
0
0
11 (3)
Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL là hằng số lúc đó công suất đầu ra được viết lại như sau:
59
Ứng dụng các ...
)1()(1 00 DIUDTTIU
T
P LLout −=−=
(4)
Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như sau:
 −−= DDUU i 10 (5)
Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ tĕng lên, nhờ bộ điều khiển xung kích ta có thể 
điều chỉnh điện áp ra mong muốn bằng việc điều chỉnh D.
2.2. Bộ ch̉nh lưu và bộ nghịch lưu
Việc nghiên cứu các bộ chỉnh lưu (AC/DC) và bộ nghịch lưu (DC/AC) điều chế theo 
phương pháp độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM) hoặc điều chế theo vectơ 
không gian (Space Vector Modulation) được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong 
những nĕm gần đây với những ưu điểm vượt trội như: khả nĕng truyền nĕng lượng theo cả 2 
hướng, với góc điều khiển được thay đổi được, dung lượng sóng hài thấp..v.v. 
2.2.1. Mô hình toán học cho bộ chỉnh lưu 
Sơ đồ bộ chỉnh lưu điều chế theo phương pháp độ rộng xung (PWM), như hình 4. Theo [3], để 
đạt được mục tiêu là điều khiển các thành phần công suất phát vào lưới từ tuabin gió và pin mặt 
trời...v.v. thì hiện nay 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