Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu

Lê Kim Anh

Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới...

MÔ HÌNH PHÂN TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO
NGUỒN PIN NHIÊN LIỆU
Lê Kim Anh(1)
(1) Trường Cao đẳng Công Thương miền Trung
Ngày nhận bài: 15/8/2018; Ngày gửi phản biện 22/8/2018; Chấp nhận đăng 25/11/2018
Email:
Tóm tắt
Nghiên cứu và ứng dụng nguồn pin nhiên liệu để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc
giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch, vừa có nguy cơ cạn kiệt, vừa gây ô
nhiễm môi trường và thường biến động về giá. Pin nhiên liệu với ưu điểm là sự chủ động về
nguồn nhiên liệu đầu vào, việc ứng dụng mô hình điều khiển phân tầng trong điều khiển nối
lưới cho nguồn pin nhiên liệu, nhằm đảm bảo nguồn pin nhiên liệu luôn hoạt động ở công suất
tối đa. Ưu điểm của mô hình điều khiển phân tầng là tần số, biên độ và độ lệch điện áp luôn đạt
giá trị ổn định. Ngoài ra giảm được các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc
nâng cao chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng ứng dụng mô hình
phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu sử dụng phương pháp điều khiển
theo độ trượt (Droop control method) nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp
tải nối với hệ thống.
Từ khóa: điều khiển nối lưới, năng lượng tái tạo, pin nhiên liệu, phân tầng
Abstract
HIERARCHICAL MODEL IN CONTROLLING OF GRID - CONNECTED FUEL CELLS
The research aims at of using and exploiting effectively fuel cell sources to generate
electricity. It is meaningful to reduce the climate change and the energy dependence on fossil
energy sources which are at risk of exhausting, causing environmental pollution and changing
in price. The using fuel cells in power generation has the advantage of active fuel inputs. The
application of hierarchical control structure in controlling of grid-connected fuel cells will
ensure capacities of fuel cells are always at maximum. This control structure has advantages of

stable operating frequency, voltage magnitude and voltage deviation. Besides, the elimination
of high order harmonics will also have a significant effect on power quality improving. The
article gives the simulation results of applying hierarchical struture in controlling of gridconnected fuel cells using droop control method in order to maintain maximum generating
capacity of the system, irrespective of connected power loads.
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, pin nhiên liệu luôn được thu hút sự quan tâm của các nhà hoạch định phát triển
năng lượng của các quốc gia trên thế giới. Những ưu điểm tuyệt đối của công nghệ pin nhiên
liệu so với hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Theo Chaoyong Hou, Xuehao Hu,
Dong Hui (2010), đối với các hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch thì hiệu suất đạt
khoảng 35%, trong khi đó các hệ thống phát điện sử dụng công nghệ pin nhiên liệu có thể đạt
40


Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một

Số 4(39)-2018

hiệu suất cao hơn, khoảng 47%. Với tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường như
nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), và đặc biệt là carbon dioxit (CO2) khá thấp. Pin nhiên
liệu là một loại thiết bị sử dụng nhiên liệu giàu hydro và oxy để tạo ra điện thông qua các phản
ứng điện hóa. Pin nhiên liệu bao gồm cực âm và cực dương, được bao quanh bởi chất điện
phân. Nhiên liệu được đưa đến cực âm và oxy được đưa đến cực dương để tạo ra các phản ứng.
Mô hình điều khiển phân tầng, bao gồm 3 tầng điều khiển: Tầng điều khiển thứ 1, dùng để điều
khiển giữa tải với bộ nghịch lưu, sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (độ dốc). Tầng
điều khiển thứ 2, dùng để đồng bộ với lưới và đưa tín hiệu độ lệch tần số, độ lệch điện áp đến
tầng điều khiển thứ 1. Tầng điều khiển thứ 3, dùng để trao đổi giữa công suất của nguồn pin
nhiên liệu với công suất của lưới, đồng thời đưa tín hiệu biên độ tần số và biên độ điện áp đến
tầng điều khiển thứ 2. Ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin
nhiên liệu nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho
các nguồn năng lượng tái tạo.

2. Xây dựng mô hình điều khiển phân tầng cho nguồn pin nhiên liệu
Mô hình điều khiển phân tầng theo Lê Kim Anh (2012), bao gồm 3 tầng điều khiển cơ bản
sau: Tầng điều khiển thứ 1 (Primary Control), dùng để điều khiển dòng điện, điện áp và công suất
giữa tải với bộ nghịch lưu. Tầng điều khiển thứ 2 (Secondary Control), dùng để đồng bộ với lưới.
Tầng điều khiển thứ 3 (Tertiary Control), dùng để trao đổi công suất của nguồn pin nhiên liệu (FC)
với lưới. Hệ thống điều khiển nối lưới của FC theo mô hình phân tầng, như hình 1 và 2.

Hình 1. Sơ đồ điều
khiển nguồn pin nhiên
liệu theo mô hình phân
tầng

Hình 2. Sơ đồ điều
khiển tầng thứ nhất

41


Lê Kim Anh

Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới...

2.1. Mô hình pin nhiên liệu (FC)
Dựa vào mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và áp suất riêng phần của hydro, oxy và nước
theo HalukGorg (2006), mô hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange
Membrane Fuel Cell, PEMFC) được tính như sau:
qH 2
q
K an
K an


 K H 2 (1); và H 2 O 
 K H 2O
(2)
pH 2
pH 2 O
M H2
M H 2O
Trong đó: qH 2 : dòng chảy đầu vào của hydro (kmol/s); pH 2 : áp suất riêng phần của





kmol.kg / atm.s  ; M H 2 : khối lượng phân tử hydro
(kg/kmol); K H 2 : hằng số phân tử van hydro [kmol/(atm.s)]
Đối với dòng chảy hydro phân tử, có ba yếu tố quan trọng: dòng chảy đầu vào hydro,
dòng chảy đầu ra hydro và dòng chảy hydro trong phản ứng. Mối quan hệ giữa các yếu tố này
có thể được biểu diễn như sau:
hydro (atm); Kan: hằng số van anốt



d
RT in
out
r
pH 2 
qH 2  qH
 qH

2
2
dt
Van



(3)

Trong đó: T: nhiệt độ tuyệt đối (K); Van: thể tích anốt (m3); qHin2 :dòng chảy đầu vào
hydro (kmol/s); qHout2 :dòng chảy đầu ra hydro (kmol/s); qHr 2 :dòng chảy hydro trong phản ứng
(kmol/s); Với qHr 2 được tính như sau:

N 0 N s I FC
(4)
 2 K r I FC
2F
Với: N0: số lượng của pin nhiên liệu trong ngăn xếp; NS: số ngăn xếp được sử dụng
trong nhà máy điện; IFC: dòng điện pin nhiên liệu (A); Kr: hằng số mô hình [kmol/(s.A)]
Từ công thức (1) và (4) ta biến đổi Laplace, áp suất hydro được viết lại như sau:
qHr 2 

pH 2 

1
KH2

1   H2
H

q
S

in
H2

 2 K r I FC



(5)

V

an
: hằng số thời gian của hydro (s) và  H 2  K
(6)
H 2 RT
Điện áp của hệ thống pin nhiên liệu được tính như sau: Vcell=E+ηact+ηohmic (7) ở đây:
act   B ln(CI FC ) (8) và ohmic   Rint I FC
(9)
Trong đó: Rint : nội trở của pin nhiên liệu (Ω); B,C: hằng số để mô phỏng quá điện áp
kích hoạt trong hệ thống PEMFC (A-1) và (V); E: điện áp tức thời (V); ηact : quá điện áp kích
hoạt (V); ηohmic : quá áp nội trở (V); Vcell : điện áp đầu ra của hệ thống pin nhiên liệu (V).
Theo [4], điện áp tức thời được xác định như sau:

Với:

2


 pH PO
RT
2

E  N o Eo 
log  2
2F

 PH 2 O




 

(10)

Trong đó: E0: điện áp chuẩn khi không tải (V); PO2: áp suất riêng phần của oxy (atm);
PH20 : áp suất riêng phần của nước (atm); Hệ thống pin nhiên liệu tiêu thụ lượng khí hydro
theo nhu cầu của phụ tải điện.
42


Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một

Số 4(39)-2018

Theo Xiaochun Mou, Xue Zhao, Xin Zhao (2012), lượng khí hydro có sẵn từ thùng chứa
hydro được tính như sau:

N 0 N s I FC
req
qH

(11)
2
2 FU
Trong đó, qHreq2 : số lượng khí hydro
cần thiết để đáp ứng sự thay đổi tải
(kmol/s); U: hệ số sử dụng, tùy thuộc vào
cấu hình hệ thống pin nhiên liệu, dòng
chảy của khí hydro và oxy. Từ các biểu
thức ở trên, ta xây dựng mô hình pin nhiên
liệu trên matlab/simulink, như hình 3.

Hình 3. Mô hình pin nhiên liệu
2.2. Điều khiển tầng thứ 1
2.2.1. Điều khiển P,Q theo phương pháp độ trượt (độ dốc)
Phương pháp điều khiển theo độ trượt (DCM) thường sử dụng trong điều khiển cho các
nguồn phân tán nói chung và nguồn FC nói riêng như: điều khiển giữa tải với bộ nghịch lưu
(biến tần), ở đây sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage source inverter, VSI). Trong phương
pháp điều khiển này công suất tác dụng được điều khiển theo độ trượt của tần số và công suất
phản kháng điều khiển theo độ trượt của biên độ điện áp. Ưu điểm của phương pháp DCM là
giảm các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện năng.
Theo Mohamed, Radwan (2011), sơ đồ mạch
điện tương đương của bộ nghịch lưu, như hình 4.
Ở đây: i và E : dòng điện và điện áp ra của bộ
nghịch lưu; V0 : điện áp lưới và Z : trở kháng
của đường dây và bộ nghịch lưu.
Hình 4. Sơ đồ mạch điện tương đương của bộ nghịch lưu

Từ sơ đồ hình 4, phương trình cho công suất được tính như sau:
V .E   V 2 
S  V .I * 

(12)
Z
Z
Từ biểu thức (12) công suất tác dụng và công suất phản kháng được tính như sau:
V

P  ( E. cos   V ) cos   E.sin  .sin  

Z

(13)
V
Q  ( E. cos   V ) sin   E. cos  .sin  

Z
0
Giả sử trở kháng trên đường dây Z là thuần cảm thì   90 , biểu thức (13) được viết
lại như sau:
V .E

 P  Z sin 

2
(14)
Q  V .E cos   V
Z


Nếu sự khác biệt giữa điện áp ra của bộ nghịch lưu với điện áp lưới không đủ lớn thì
sin    và cos   1 , biểu thức (14) sẽ viết lại như sau:
43


Lê Kim Anh

Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới...

V .E

 P  Z 

2
Q  V .E  V

Z

(15)

Theo Brabandere et al., (2004), biểu thức (15) khi chuyển sang hệ tọa độ dq tính toán cho
công suất tác dụng, công suất phản kháng và kết hợp với mạch lọc thông thấp được tính như sau:
c

 P  s   p(vod iod  voqioq )

c

(16)

Q  c q(v i  v i )
oq od
od oq

s  c
Trong đó: ωc: tần số cắt của bộ lọc
thông thấp; vod, voq: là điện áp của vodq ở hệ
trục tọa độ dp; iod, ioq: là dòng điện của iodq
ở hệ trục tọa độ dp. Hình 5. Mô hình tính toán
công suất tác dụng và công suất phản kháng
kết hợp với mạch lọc thông thấp.
Hình 5. Mô hình tính toán công suất P,Q
Tần số và điện áp ra theo Kohansal et al., (2012), điều khiển sử dụng phương pháp DCM
được tính như sau:
*

    m.P
(17)

*

 E  E  n.Q
Trong đó:  * , E * là các giá trị hằng số của
tần số và điện áp từ hệ thống đo tần số và điện áp
(RMS); m   / Pmax , n  E / 2Qmax : là hệ số
của tần số và biên độ điện áp khi điều khiển theo
phương pháp điều khiển DCM, như hình 6.
Hình 6. Điều khiển P,Q theo độ trượt của tần số và điện áp
Từ biểu thức (16) và (17) xây dựng sơ
đồ mô hình điều khiển công suất P, Q theo

phương pháp DCM, như hình 7.

Hình 7. Mô hình điều khiển P,Q theo phương pháp DCM
2.2.2 Điều khiển dòng điện và điện áp
Theo He, Wu & Liang (2013), phương trình của điện áp và dòng điện điều khiển theo
mạch vòng khi chuyển sang hệ tọa độ dq được tính như sau:
Phương trình điều khiển mạch vòng ngoài của điện áp sử dụng bộ điều khiển PI
*
*

iLd  iod  Cvoq  (vod  vod )(k vp  k vi / s)
*
(18)
*

iLq  ioq  Cvod  (voq  voq )(k vp  k vi / s)
*
*
*
*
*
*
Trong đó: i Ld , i Lq : là dòng điện của i Ldq ở hệ trục tọa độ dp; v od , v oq : là điện áp của vodq ở
hệ trục tọa độ dp; ω: tần số góc; kvp, kvi: các thông số của bộ điều khiển; s: toán tử Laplace; C:
điện dung mạch lọc.
44


Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một

Số 4(39)-2018

Phương trình điều khiển mạch vòng trong của dòng điện sử dụng bộ điều khiển PI
*

v  vod  LiLq  (iLd  iLd )(k ip  k ii / s) (19)
 *
*

viq  voq  LiLd  (iLq  iLq )(k ip  k ii / s)
*
*
*
Trong đó: vid , viq : là điện áp của vidq ở hệ
*
id

trục tọa độ dp; iLd , iLq : là dòng điện của i Ldq ở hệ
trục tọa độ dp; kip, kii: các thông số của bộ điều
khiển; L: điện cảm mạch lọc. Sơ đồ điều khiển
mạch vòng của điện áp và dòng điện, như hình 8.
Hình 8. Điều khiển mạch vòng của điện
áp và dòng điện
2.2.3 Điều khiển điện áp ra mạch trở kháng ZD(s)
Theo Alireza Raghami et al., (2013), trở
kháng đầu ra của các nguồn phân tán, cũng như
trở kháng trên đường dây chủ yếu là cảm kháng.
Tuy nhiên khi sử dụng các bộ biến đổi điện tử
công suất như: DC/DC và DC/AC thì trở kháng
đầu ra phụ thuộc vào các bộ điều khiển dòng điện,

điện áp. Đối với điều khiển điện áp thấp như
nguồn pin nhiên liệu thì trở kháng trên đường dây
xem như thuần trở, điện áp đầu ra của mạch trở
kháng được tính như sau:
vo*  vref  Z D (s).io (20)
Hình 9. Sơ đồ điện áp đầu ra mạch trở kháng
2.3. Điều khiển tầng thứ 2
Theo Josep et al., (2009), điều khiển tầng thứ 2 dùng để điều khiển tần số và biên độ, cũng
như độ lệch điện áp khi tải nối với thay đổi. Đồng thời thực hiện đồng bộ với lưới, như hình 1.
Phương trình giới hạn độ lệch tần số và điện áp được tính như sau:
  k p ( ref   * )  k i ( ref   * )dt   s



(21)
*
*
E  k pE ( Eref  E )  k iE  (Eref  E )dt
Trong đó: kpω, kiω, kpE và kiE: là
các thông số của bộ điều khiển tầng thứ 2;
Δωs: hệ số đồng bộ lưới theo tần số lấy từ
tín hiệu PLL; δω và δE: là tín hiệu điều
khiển tầng 1.
Hình 10. Giới hạn và khả năng phục hồi tần số
2.4 Điều khiển tầng thứ 3
Điều khiển tầng thứ 3 dùng để điều khiển công suất giữa nguồn pin nhiên liệu với công
suất của lưới bằng cách điều chỉnh tần số (hoặc độ lệch pha) và biên độ điện áp, như hình 1.
Phương trình tần số và biên độ điện áp được tính như sau:
 ref  k pP ( Pref  PG )  kiP ( Pref  P )dt



G

(22)
Eref  k pQ (Qref  QG )  kiQ  (Qref  QG )dt
45


Lê Kim Anh

Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới...

Trong đó: kpP, kiP, kpQ và kiQ là các thông số của bộ điều khiển tầng thứ 3; PG và QG:
công suất tác dụng và công suất phản kháng của lưới; Pref và Qref: công suất đặt; ωref và Eref:
là tín hiệu điều khiển tầng thứ 2.
3. Xây dựng mô hình và mô phỏng trên matlab/simulink
3.1 Xây dựng mô hình trên matlab/simulink
Mô hình được xây dựng dựa trên sơ đồ mô hình điều khiển nối lưới hình 1, mục 2. Hệ
thống điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu ứng dụng mô hình phân tầng được xây dựng
trên matlab/simulink, như hình 11.

Hình 11. Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu ứng dụng mô hình phân tầng

Bảng 2. Thông số các bộ điều khiển

Bảng 1. Các thông số cơ bản của pin nhiên liệu

3.1. Xây dựng mô hình trên matlab/simulink
4

6

50

x 10

4
0

2

0
0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

-50
0

Hình 12. Công suất pin nhiên liệu (W)

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

Hình 13. Dòng điện ngõ ra Iabc (A)
46

0.1


Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
200
0
-200

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một

Số 4(39)-2018
0

0.01

0.02

0.03

Mag (% of Fundamental)

600
400
200
0
-200
-400
-600
0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Hình 14. Điện áp ngõ ra Uabc(V)

0.04

0.05
Time (s)

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

16

18

20

Fundamental (50Hz) = 324.1 , THD= 0.36%
0.15
0.1
0.05
0

0

2

4

6

8

10

Harmonic order

12

14

Hình 15. Đặc tính sóng hài điện áp

Hình 16. Đặc tính sóng hài điện áp

Hình 17. Công suất nối lưới
4

2

1.5
1

x 10

1

0.5

0

0
-0.5

-1

-1
-1.5
0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

-2
0

0.1

Hình 18. Dòng điện nối lưới Iabc (p.u)

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Hình 19. Điện áp nối lưới Uabc (V)

Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng, ta thấy tại thời điểm t = 0.02s đóng tải thực hiện nối
lưới, dòng điện và điện áp cũng như công suất đầu ra luôn bằng giá trị đặt. Biên độ và độ lệch
của tần số tại thời điểm này dao động nhưng nằm trong phạm vi cho phép ( 0.2Hz, trong điều
kiện làm việc bình thường, 0.5 Hz, khi sự cố). Đặc tính sóng hài của điện áp (THD < 5%),
khi t > 0.02s hệ thống nối lưới làm việc ở trạng thái ổn định.
4. Kết luận
Ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu đã phát

huy đối đa công suất phát ra của hệ thống, bất chấp tải nối với hệ thống. Hệ thống nối lưới
thông qua máy biến áp 400V/22kV và đường dây tải điện, tần số và độ lệch điện áp luôn đạt giá
trị ổn định. Điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu theo mô hình phân tầng nhằm hướng
đến việc phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn năng
lượng tái tạo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Alireza Raghami, Mohammad Taghi Ameli, Mohsen Hamzeh (2013). Primary and Secondary
Frequency Control in an Autonomous Microgrid Supported by a Load-Shedding Strategy.
IEEE.
[2]. Chaoyong Hou, Xuehao Hu, Dong Hui (2010). Hierarchical Control Techniques Applied in
Microgrid. IEEE.

47


Lê Kim Anh

Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới...

[3]. HalukGorg (2006). Dynamic modelling of a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer.
International Journal of Hydrogen Energy, 31.
[4]. Josep M. Guerrero, Juan C. Vásquez, Remus Teodorescu (2009). Hierarchical Control of
Droop-Controlled DC and AC Microgrids – A General Approach Towards Standardization.
IEEE
[5]. Junping He, Ning Wu, Liang Liang (2013). Dynamic Virtual Resistance Droop Control Scheme
for Distributed Generation System. TELKOMNIKA, Vol.11, No.3, March.
[6]. K. De Brabandere, B. Bolsens, J. Van den Keybus, A. Woyte, J. Driesen and R. Belmans
(2004). A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters. IEEE.
[7]. Lê Kim Anh (2012). Xây dựng mô hình điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin nhiên liệu. Tạp

chí Khoa học và Công nghệ, số 12.
[8]. M. Kohansal, G. B. Gharehpetian, M. Abedi and M. J. Sanjari (2012). Droop Controller
Limitation for Voltage Stability in Islanded Microgrid. International Conference on Renewable
Energies and Power Quality, Santiago de Compostela (Spain), 28th to 30th March.
[9]. M.Y. El-Sharkh, A. Rahman, M.S. Alam, P.C. Byrne, A. Sakla, T. Thomas (2004). Adynamic
model for a stand-alonePEM fuel cell power plant for residential applications. Journal of Power
Sources, 138.
[10]. Xiaochun Mou, Xue Zhao, Xin Zhao (2012). Study on the Control Strategies of Low Voltage
Microgrid. International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems.
[11]. Yasser Abdel-Rady I. Mohamed, Amr A. Radwan (2011). Hierarchical Control System for
Robust Microgrid Operation and Seamless Mode Transfer in Active Distribution Systems. IEEE

48