Điều khiển nối lưới cho tuabin gió kết hợp với nguồn điện pin nhiên liệu

5Soá 9, thaùng 6/2013 5
Khoa hoïc Coâng ngheä
ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO TUABIN GIÓ KẾT HỢP VỚI 
 NGUỒN ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU 
ThS. Lê Kim Anh*
Tóm tắt 
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió cũng như nguồn điện pin nhiên 
liệu 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. Công nghệ pin nhiên liệu đang 
sử dụng chủ yếu pin nhiên liệu màng trao đổi proton hoặc pin nhiên liệu Oxít rắn.Việc kết hợp tuabin 
gió với nguồn điện pin nhiên liệu nối lưới có được ưu điểm của hệ thống là sự chủ động nguồn nhiên 
liệu đầu vào. Để tuabin gió vận hành tối ưu với vận tốc gió nhất định, thì hệ thống phải tự điều chỉnh 
theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng điều khiển nối lưới 
cho tuabin gió kết hợp với nguồn điện pin nhiên liệu nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống 
bất chấp tải nối với hệ thống. 
Từ khóa: năng lượng tái tạo; pin nhiên liệu; tuabin gió; tuabin gió nối lưới; pin nhiên liệu nối lưới.
Abstract
Researching on the effective usage and exploitation of wind energy as well as fuel fuel cells to 
generate electricity has a practical meaning in reducing climate change and the dependance on fossil 
fuel which is at risk of being exhausted and is the cause of environmental pollution. The current fuel cell 
technology uses mainly proton exchanging membrane fuel cell and solid oxide one. With the combina-
tion between wind turbine and grid-connected fuel cell, there will be less depend on input fuel. To oper-
ate efficiently the wind turbine at a certain velocity, the system should be able to adjust to the change of 
wind speed and direction. The paper shows the result of simulating grid-connected control of the wind 
turbine combined with fuel cells to maintain the maximum capacity of the system with disregard of con-
nected loading power.
Key words: renewable; fuel cells; wind turbines; grid-connected wind turbines; grid-connected 
fuel cells. 
1. Đặt vấn đề
 Ngày nay cùng với sự phát triển 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 
nhiên liệu nói riêng là dạng nguồn năng lượng 
sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời 
tiềm năng về trữ lượng các loại năng lượng này ở 
nước ta rất lớn. Theo số liệu của Ngân hàng Thế 
giới, tiềm năng gió của Việt Nam (ở độ cao 65m) 
rất khả quan, ước đạt 513.360MW, lớn hơn 200 
lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La. Công 
nghệ pin nhiên liệu sử dụng để phát điện có thể 
đạt hiệu suất khoảng 47% so với việc dùng các 
nguồn nhiên liệu hóa thạch, hiệu suất đạt khoảng 
35%. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng 
lượng gió và nguồn điện pin nhiên liệu sao cho 
hiệu quả, giảm phát thải các chất gây ô nhiễm môi 
trường, đặc biệt là khí (CO2) đang là mục tiêu ng-
hiên cứu của nhiều quốc gia. Hệ thống điều khiển 
nối lưới cho tuabin gió kết hợp với nguồn điện pin 
nhiên liệu nhằm hướng đến phát triển lưới điện 
thông minh và điều khiển linh hoạt các nguồn 
năng lượng tái tạo.
2. Xây dựng mô hình điều khiển
Hệ thống nối lưới cho tuabin gió kết hợp với 
nguồn điện pin nhiên liệu bao gồm các thành phần 
cơ bản, như hình 1. Hệ thống tuabin gió qua máy 
phát điện cho ra điện áp (AC), qua bộ chỉnh lưu 
điện áp ra một chiều (DC). Pin nhiên liệu cho ra 
điện áp một chiều (DC). Các điện áp một chiều 
(DC) này qua bộ nghịch lưu (DC/AC) đưa ra điện 
áp (AC) nối lưới. 
*Trường Cao đẳng Công Nghiệp Tuy Hòa
6Soá 9, thaùng 6/2013 6
Khoa hoïc Coâng ngheä
 2.1. Mô hình tuabin gió
 Theo [1], công suất của tuabin gió được 
tính theo biểu thức: 3
2
),( vACP pm
 (1); 
Trong đó: 
Pm: Công suất đầu ra của tuabin (W). 
Cp(λ,β): Hệ số biến đổi năng 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 
(1) ta thấy vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất 
của công suất; công suất đầu ra tăng theo lũy 
thừa 3 vận tốc. Hệ số biến đổi năng lượng Cp(λ, 
β) của biểu thức (1) theo [2], được tính như sau: 


  0068.0)54.0116(5176.0),(
21
ieC
i
p (2); 
với 31
035.0
08.0
11
 
i
 (3)
Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin 
gió và tốc độ là: 
v
R
 
Trong đó, ω tốc độ quay của tuabin, R bán 
kính của tuabin, v vận tốc của gió. Theo [2], 
mômen của tuabin gió được tính như sau: 
3
3
5
2
1



p
m
m CR
PT 
(4);
Từ các biểu thức (1), (2), (3), (4) đã phân tích 
Tốc độ 
 gió 
Rotor 
Chỉnh lưu 
AC/DC 
Tuabin gió 
Tải 
AC 
Máy 
biến áp Lưới 
điện 
Nghịch lưu 
DC/AC 
Bus DC 
Pin 
nhiên 
 liệu 
Nướ
c 
Điệ
n 
năn
g 
Tải DC 
Bộ chuyển 
đổi DC/DC 
Quá trình 
 điện phân 
Tích trữ khí 
H2 
O2 
H2 
Stator 
Bộ chuyển 
đổi DC/DC 
H2_ 
flow 
Máy phát điện 
Hình 1. Sơ đồ hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió kết hợp với nguồn điện pin nhiên liệu
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 2.
Hình 2. Mô hình tuabin gió
2.2. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh 
cửu (PMSG) 
Theo [3], phương trình dòng và áp trên hệ 
tọa độ dq:
sd
sd
sq
sd
sq
ssd
sd
sd u
L
i
L
L
i
Tdt
di 11
 (5) 
sq
p
ssq
sq
sq
sq
sd
sq
sd
s
sq
L
u
L
i
T
i
L
L
dt
di 
 
11 (6) 
Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí 
đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang 
cực; từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq là hằng 
số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực. Phương 
trình mômen tính như sau: 
(7)
7Soá 9, thaùng 6/2013 7
Khoa hoïc Coâng ngheä
 Để xây dựng mô hình máy phát điện PMSG 
trên matlab/ simulink ta dựa vào các biểu thức 
(5), (6), (7), như hình 3. 
Hình 3. Mô hình máy phát điện PMSG
Bảng 1: Thông số cơ bản của PMSG
2.3. Mô hình pin nhiên liệu 
 * Dựa vào mối quan hệ giữa điện áp đầu ra 
và áp suất riêng phần của hydro, oxy và nước 
theo [4], mô hình pin nhiên liệu màng trao đổi 
proton – PEMFC (Proton Exchange Membrane 
Fuel Cell) được tính như sau: 
(8) ;
Và (9) 
Trong đó: 2Hq : dòng chảy đầu vào của hydro 
(kmol/s); 2Hp : áp suất riêng phần của hydro (atm); 
Kan: hằng số van anốt ; 2HM : 
khối lượng phân tử hydro (kg/kmol); 
2H
K : 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 
2
22
2
H
H
an
H
H K
M
K
p
q
OH
OH
an
OH
OH K
M
K
p
q
2
22
2 
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: 
 (10)
Trong đó T: nhiệt độ tuyệt đối (K); R: hằng số 
khí lý tưởng [1 atm /(kmol.K)]; Van: thể tích anốt 
(m3); inHq 2 : dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s); 
out
Hq 2 : dòng chảy đầu ra hydro (kmol/s); 
r
Hq 2 : dòng 
chảy hydro trong phản ứng (kmol/s). Biểu thức 
(10)
r
Hq 2 được tính như sau:
FCr
FCsr
H IKF
INNq 2
2
0
2
 (11)
Với: N
0
: 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)]; F: hằng số 
Faraday (C/kmol). Từ biểu thức (8),(11) ta biến 
đổi Laplace, áp suất hydro được viết lại như sau:
 (12)
 Với:
2H
 : hằng số thời gian của hydro (s) và 
RTK
V
H
an
H
2
2
 (13). Điện áp của hệ thống pin nhiên
 liệu được tính như sau: Vcell=E+ηact+ηohmic 
(14) ở đây: )ln( FCact CIB (15); 
và FCohmic IR
int (16) 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).
Điện áp tức thời được xác định như sau: 
OH
OH
oo P
Pp
F
RTENE
2
22log
2
 (17)
Trong đó: E
0
: điện áp chuẩn khi không tải 
(V); P
O2
: áp suất riêng phần của oxy (atm); P
H2O
: 
áp suất riêng phần của nước (atm). Hệ thống pin 
nhiên liệu tiêu thụ lượng khí hydro theo nhu cầu 
của phụ tải điện. Theo [5], lượng khí hydro có 
sẵn từ thùng chứa hydro được tính như sau: 
FU
INNq FCsreqH 2
0
2
 (18).
Trong đó: 
req
Hq 2 : số lượng khí hydro cần thiết 
để đáp ứng sự thay đổi tải (kmol/s); U: hệ số sử 
8Soá 9, thaùng 6/2013 8
Khoa hoïc Coâng ngheä
dụng, tùy thuộc vào cấu hình hệ thống pin nhiên liệu, dòng chảy của khí hydro và oxy. Mô hình pin nhiên 
liệu (PEMFC ) được xây dựng trên matlab/simulink như hình 4. 
Hình 5. Hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió và nguồn pin nhiên liệu 
Bảng 2: Thông số của pin nhiên liệu
 Hình 4. Mô hình nguồn pin nhiên liệu
3. Mô phỏng trên Matlab/Simulink
3.1. Mô hình trên Matlab/Simulink
Mô hình điều khiển nối lưới cho tubin gió kết 
hợp với nguồn pin nhiên liệu, được xây dựng 
trên matlab/simulink như hình 5. 
9Soá 9, thaùng 6/2013 9
Khoa hoïc Coâng ngheä
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
10
20
30
40
50
60
Điện áp 
xác lập (V) 
Dòng điện 
xác lập(A) Dòng 
điện 
quá độ 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
200
400
600
800
 Đóng tải 
 nối lưới 
Không tải 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Pmax _tuabin gió 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Không tải 
Đóng tải 
nối lưới 
2. Kết quả mô phỏng
Hình 6. Dòng điện và điện áp của pin nhiên liệu
Hình 7. Công suất của pin nhiên liệu (W)
Hình 8. Công suất của tuabin gió (W)
Hình 9. P_ tổng ( tuabin gió+pin nhiên liệu) (W)
Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng cho thấy tại 
thời điểm t < 0.02s các giá trị dòng điện, điện áp 
và công suất dao động, nhưng khi t ≥ 0.02s hệ 
thống bắt đầu làm việc ổn định. 
4. Kết luận 
Điều khiển nối lưới cho tuabin gió kết hợp 
với nguồn điện pin nhiên liệu đã phát huy được 
công suất phát ra. Tại thời điểm t = 0.08s đóng 
tải thực hiện nối lưới, dòng và điện áp cũng như 
công suất đầu ra luôn đạt giá trị ổn định và bằng 
giá trị đặt. Hệ thống nối lưới thông qua máy biến 
áp 400V/22kV và đường dây tải điện. Mô hình 
điều khiển nối lưới cho tuabin gió kết hợp nguồn 
điện pin nhiên liệu 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
Alejandro Rolán, Álvaro Luna, Daniel Aguilar, Gerardo Vázquez. 2009. Modeling of Variable Speed 
Wind Turbine with a Permanent Magnet Synchronous Generator. IEEE Intermation Symposium on 
Industrial Electronics.
Ranjan K. Behera, Wenzhong Gao and Olorunfemi Ojo. 2009. Simulation Study of Permanent Magnet 
Synchronous Machine Direct Drive Wind Power Generator using Three Level NPC Converter System. 
IEEE.
Victor M.F.Mendes, Rui Melício, and Joao P.S.Catalao. 2011.Wind Turbines with Permanent Magnet 
Synchronous Generator and Full-Power Converters. Books in the Intech. 
Caisheng Wang, M. Hashem Nehrir. 2009. Modeling and control of fuel cells. Books in the IEEE 
press series on power engineering.
HalukGorg. 2006. Dynamic modelling of a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer. Interna-
tional Journal of Hydrogen Energy.