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

Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

NG DNG CC B BIN I IN T CễNG SUT
TRONG IU KHIN NI LI CHO TUABIN GIể
V NGUN PIN MT TRI
Lờ Th Kim Anh*
Xin Ai **

TểM TT
Nghiờn cu s dng v khai thỏc hiu qu ngun nng lng giú cng nh ngun pin mt
tri phỏt in cú ý ngha thit thc n vic gim bin i khớ hu v gim s ph thuc vo cỏc
ngun nhiờn liu húa thch cú nguy c cn kit, gõy ụ nhim mụi trng. Ni li tuabin giú v
ngun pin mt tri s dng cỏc b bin i in t cụng sut cú nhng u im nh: H thng ni
li ch ng c ngun nhiờn liu u vo, kh nng truyn nng lng theo c 2 hng. Kt
hp vi mch lc s gim súng hi qua li v loi tr cỏc súng hi bc cao, iu ny cú ý ngha
ln n vic ci thin cht lng in nng. Bi bỏo ó a ra c kt qu mụ phng iu khin
ni li cho tuabin giú v ngun pin mt tri s dng cỏc b bin i in t cụng sut, nhm duy
trỡ cụng sut phỏt ti a ca h thng bt chp ti ni vi h thng.
T khúa: Cỏc b bin i in t cụng sut, iu khin ni li, nng lng tỏi to.

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 in in t, Trng cao ng cụng nghip Tuy Hũa. Tnh Phỳ Yờn.
GV Trng i Hc in Lc Hoa Bc, Trung Quc. Email:

**

56


Ứng dụng các ...

1. Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng của con
người ngày càng tăng. Nguồn năng lượng tái tạo nói chung, nguồn năng lượng gió và nguồn pin
mặt trời nói riêng là dạng nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời
tiềm năng về trữ lượng năng gió cũng như nguồn pin mặt trời ở nước ta rất lớn.Tuy nhiên, để
khai thác, sử dụng nguồn năng 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 năng 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 năng 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

57


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

2.1. B bin i 2 trng thỏi DC/DC
Mc ớch ca b bin i 2 trng thỏi DC/DC l to ra in ỏp mt chiu (DC) c iu
chnh cung cp cho cỏc ti thay i, b bin i 2 trng thỏi DC/DC gi vai trũ rt quan
trng trong cỏc h thng iu khin nng lng tỏi to (Renewable Energy sources - RES).
n nh in ỏp u ra cho b bin i thỡ ũi hi cỏc b iu khin phi hot ng mt
cỏch tin cy, do in ỏp u ra ca pin mt tri khụng ln cú th cung cp chou
vo ca b nghch lu (DC/AC). Do ú ta phi s dng b bin i 2 trng thỏi DC/DC
nõng in ỏp u ra t yờu cu. Theo [2], b bin i 2 trng thỏi DC/DC (Buck Boots
Converter) nh hỡnh 2, vi gin xung úng ngt nh hỡnh 3.

Hỡnh 2. S b bin i DC/DC [2]

Hỡnh 3. Gin xung úng ngt ca b bin
i DC/DC [2]

2.1.1. Khi Switch trng thỏi úng
Ta xột trong khong thi gian t = 0 n t = DT, in ỏp trờn cuụn dõy L l Ui. Khi ú cụng
sut trờn cun dõy L c tớnh nh sau:

1
0 U i I L dt = T U i

1
Pin =
T

D
T

I

D
T

L

d
t (1)

0

Vi iu kin dũng qua cun dõy L l hng s, cụng sut qua cun dõy L c vit li nh
sau:

Pin =

1
UiIL
T

dt

D
T

= U i I L D (2)

0

2.1.2. Khi Switch trng thỏi ngt
Ta thy nng lng trờn cun dõy L bt u x ra, Diode bt u dn in ỏp trờn cun dõy
L cung cp cho ti U0. Khi ú ta cú cụng sut trờn ti:

Pout

1
=
T

1

0 U L I L dt = T

D
T

U

D
T

0

ILd
t (3)

0

Vi iu kin lý tng thỡ U0 v IL l hng s lỳc ú cụng sut u ra c vit li nh sau:
58


Ứng dụng các ...

Pout =

1
U 0 I L (T − D
T ) = U 0 I L (1 − D) (4)
T

Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như sau:
U0
 D  (5)
= −

Ui
1− D 

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.
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 năm gần đây với những ưu điểm vượt trội như: khả năng truyền năng 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.
59


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

Ta gi thit ti 3 pha i xng nờn in ỏp:

ut1 + ut 2 + ut 3 = 0 (8)

Gi N l im nỳt ca ti 3 pha dng hỡnh (Y). Da vo s hỡnh 5, in ỏp pha ca cỏc
ti c tớnh nh sau:

{

u t1 = u10 u N 0

u t 2 = u 20 u N 0
u t 3 = u 30 u N
O

(9)

u10 + u 20 + u30
(10)
3
Thay biu thc (10) vo biu thc (9) ta cú phng trỡnh in ỏp mi pha ca ti nh sau:
Vi u N 0 =

{

2u10 u 20 u 30
3
2u 20 u 30 u10
=
3
2u 30 u10 u 20
=
3

u t1 =
ut 2
ut 3

(11)

in ỏp dõy trờn ti c tớnh nh sau:

{

ut12 = u10 u20

ut 23 = u20 u30

ut 31 = u30 u1O

60

(12)


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:
ut = U tAV + ∑ ak sin(k .x) + ∑ bk cos(k .x) (13)
∞

∞

k =1

k =1

ak =

Với:

bk =

U tAV
Biên độ sóng hài bậc k: Ak

1

π

∫u

2π

t

0

∫u

2π

1

π

(

t

cos(k .x)d
x

0

1
=
2π

Ak = a

sin( k .x) d
x

∫ u .dx

2π

t

0

+b

2
k

2
k

)

1
2

(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:

U t (1) m = A1 =

1

π

Và biên độ sóng hài bậc k: U t ( k ) m = Ak =

∫u

2π
0

1

π

t

sin x.d
x (15)

∫u

2π

t

sin( k .x). d
x (16)

0

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

(

)

K 

i q (17)
độ dq được xác định như sau: Vd* = − K dp + di  id* − id + ed + ωL
S 


K qi

Vq* = − K qp +
S


(

)

 *
 iq − iq + eq − ωLi d (18)


61


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

Hỡnh 7. S iu khin cho 2 mch vũng
dũng in [5]

Hỡnh 8. iu khin mch vũng ca dũng
in [5]

3. Mụ hỡnh tuabin giú v pin mt tri
3.1. Mụ hỡnh tuabin giú
Theo [6], cụng sut ca tuabin giú c tớnh theo biu thc:
Pm = C p ( , b )

A
2

v 3 (19)

Trong ú: Pm: Cụng sut u ra ca tuabin (W); Cp(,): H s bin i nng lng (l t s
gia tc u cỏnh v gúc cỏnh ); A: Tit din vũng quay ca cỏnh qut (m2); : Mt ca
khụng khớ, = 1.255 (kg/m3). T biu thc (19) ta thy vn tc giú l yu t quan trng nht

ca cụng sut; cụng sut u ra tng theo ly tha 3 ca vn tc.
H s bin i nng lng Cp(, ) ca biu thc (19) c tớnh nh sau:
C p ( , b ) = 0.5176(

116

i

0.4 b 5)e

21

i

+ 0.0068 (20)

1
0.035
(21)
vi 1 =

8 b 1+ b 3
i
+ 0.0

R
y Nh ta ó bit t s tc u cỏnh tuabin giú v tc l: =
trong ú tc
v
quay ca tuabin, R bỏn kớnh ca tuabin, v vn tc ca giú. Do vy mụmen ca tuabin giú c

3 (22)
5
tớnh nh sau: T = Pm = 1
RC
m



2

p

3

Mt khỏc tuabin giú cú th vn hnh theo cỏc quy tc iu khin khỏc nhau tựy thuc vo tc
ca giú. ng cong biu din mi quan gia Pm v tc giú, nh hỡnh 9. T cỏc biu thc
(19), (20), (21), (22) ó phõn tớch trờn, mụ hỡnh tuabin giú c xõy dng trờn Matlab/Simulink
vi thụng s u vo tc giú, tc ca mỏy phỏt in v thụng s u ra mụmen, nh hỡnh 10.

62


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:

L
di sd
1
1
u sd (23)
=
isd + ω s sq isq +
Lsd
Lsd
d
t
Tsd
di sq
dt

= −ω s

ψp
Lsd
1
1
(24)
i sd − i sq +
u sq − ω s
Lsq

Tsq
Lsq
Lsq

Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực;
ψ p từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq là hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực. Phương trình
mômen tính như sau: m = 3 P ψ i + i i ( L − L ) (25)
M
c
p sq
sd sq
sd
sq
2

[

]

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

63


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

3.3. Mụ hỡnh pin mt tri (PV)
* Theo quan im nng lng in t, thỡ pin mt tri PV (Photovoltaic cell) cú th c
coi l nh nhng ngun dũng biu din mi quan h phi tuyn I-V nh hỡnh 13.

Hỡnh 13. c tớnh lm vic ca pin mt tri Hỡnh 14. S tng ng ca pin mt tri
Hiu sut ca tm pin mt tri t giỏ tr ln nht khi pin mt tri cung cp cụng sut cc
i. Theo c tớnh phi tuyn trờn hỡnh 13 thỡ nú s xy ra khi P-V l cc i, tc l P-V = Pmax
ti thi im (Imax,Vmax) c gi l im cc i MPP (Maximum Point Power). H bỏm im
cụng sut cc i MPPT (Maximum Point Power Tracking) c s dng m bo rng pin
mt tri luụn luụn lm vic im MPP bt chp ti c ni vo pin.
* Dũng in u ra ca pin theo [8], c tớnh nh sau:
q(V + IR s V + IR s
1
I = I ph I s exp
K
T
A
c

Rsh



(26)


Trong ú: q: in tớch electron = 1.6 x10-19 C, k: hng s Boltzmanns = 1.38 x10-23J/K, Is: l
dũng in bóo hũa ca pin, Iph: l dũng quang in, Tc: nhit lm vic ca pin, Rsh : in tr
shunt, Rs : in tr ca pin, A: h s lý tng. Theo biu thc (26) dũng quang in ph thuc

vo nng lng mt tri v nhit lm vic ca pin do ú:

[

]

I ph = I sc + K I (Tc Tref ) .H (27)

Vi: Isc: l dũng ngn mch nhit 250C, KI: h s nhit ca dũng in ngn mch,
Tref: nhit ca b mt pin (nhit tham chiu), H: bc x ca mt tri kW/m2. õy giỏ tr
dũng in bóo hũa ca pin vi nhit ca pin c tớnh nh sau:
I s = I RS (

q
E G (Tc Tref
Tc 3
) exp
Tref
Tref Tc kA


(28)


Trong ú: IRS: l dũng bóo hũa ngc b mt nhit v bc x ca mt tri, EG: nng
lng vựng cp ca cht bỏn dn, ph thuc vo h s lý trng v cụng ngh lm pin. Mt
khỏc mt pin mt tri cú in ỏp khong 0,6V, do ú mun cú in ỏp lm vic cao thỡ ta mc
ni tip cỏc pin, mun cú dũng in ln thỡ mc song song, nh hỡnh 15. Vy dũng in mt
modul tm pin s l:

(29)

64


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)

65


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

Hỡnh 20. in ỏp AC b chnh lu (V)

Hỡnh 21. in ỏp ra b nghch lu (V)

Hỡnh 22.Cụng sut ca pin(W)

Hỡnh 23. Dũng in v in ỏp ca pin

Hỡnh 24. Cụng sut tuabin giú(W)

Hỡnh 25. Cụng sut tng
( tuabin giú+ pin)(W)

Hỡnh 26. in ỏp ngừ ra Uabc(V)

Hỡnh 27. Dũng in ngừ ra Iabc(A)

Hỡnh 28. in ỏp ni li Uabc(V)

Hỡnh 29. Dũng in ni li Iabc(A)

5. Kt lun
iu khin ni li cho tuabin giú v ngun pin mt tri ng dng cỏc b bin i in t
cụng sut, kt hp vi gii thut iu khin bỏm im cụng sut cc i (MPPT), ó phỏt huy
i a cụng sut phỏt ra, ng thi cụng sut pin mt tri (PV) thu c luụn t giỏ tr cc i.
Ti thi im t = 0.02s úng ti, dũng in v in ỏp u ra luụn bng giỏ tr t v h thng
66


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 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 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

67