Mô hình điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Khoa hoïc Coâng ngheä 13
Số 14, tháng 6/2014 13
MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO MICROTURBINE 
SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Grid connection control model for microturbine with permanent magnet 
synchronous generator
Tóm tắt
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng có công suất nhỏ và phát điện phân 
tán (Distributed generation – DG) 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. Mô hình điều 
khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) với những 
ưu điểm như: Microturbine sử dụng turbine khí kết hợp máy phát điện PMSG luôn làm việc đạt tốc độ 
định mức, khả năng truyền năng lượng theo cả hai hướng nhờ sử dụng các bộ biến đổi chỉnh lưu (AC/
DC) và nghịch lưu (DC/AC). Kết hợp với mạch lọc nhằm loại trừ các sóng hài bậc cao, điều này có ý 
nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện năng. Bài báo đã xây dựng được mô hình và đưa ra kết quả 
mô phỏng điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG, nhằm duy trì công suất 
phát tối đa của hệ thống.
Từ khóa: bộ chỉnh lưu; nghịch lưu; PMSG; microturbine nối lưới; nguồn phân tán.
Abstract
The research on effectively using and exploiting small and scattered energy sources is meaningful 
to reduce the climate change and the energy dependence on fossil energy sources which are at risk of 
both exhausting and causing environmental pollution. Grid connection control model for micro-turbine 
with Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) has some advantages such as combination 
of microturbine using fuel gas and PMSG always operating at maximum velocity. The system also has 
capability of power transferring in both directions thanks to using rectifier (AC/DC) and inverter (DC/
AC). The combination of harmonic filter circuits to filter out high order harmonics on the grid will also 
have a significant effect on power quality improvement. The article builds the grid connection control 
model for microturbine with PMSG and shows simulation results in order to maintain the maximum 
capacity of the systems.
Key words: rectifier; inverter; PMSG; grid connected microturbine; distributed generation.
1. Đặt vấn đề1
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 
(Renewable Energy sources – RES) nói chung, 
các nguồn điện phân tán (Distributed generation – 
DG) nói riêng như: nguồn năng lượng gió, nguồn 
microturbine sử dụng các turbine khí, pin mặt 
trời, pin nhiên liệu..v.v. là dạng nguồn năng lượng 
sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời 
tiềm năng về trữ lượng của các nguồn điện phân 
tán ở nước ta rất lớn. Theo (Lê Kim Anh 2012), để 
khai thác và sử dụng các DG này sao cho hiệu quả, 
giảm phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường, 
như nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), và đặc 
biệt là carbon dioxit (CO
2
) đang là mục tiêu nghiên 
cứu của nhiều quốc gia. Hệ thống điều khiển nối 
lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện đồng 
bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnetic 
1 Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa
Synchronous Generator – PMSG), ở đây các bộ 
biến đổi điện tử công suất giữ vai trò rất quan trọng 
trong hệ thống điều khiển như: bộ chỉnh lưu (AC/
DC) phía máy phát điện PMSG 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. Mô hình điều khiển nối lưới cho 
microturbine sử dụng máy phát điện PMSG, nhằm 
hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều 
khiển linh hoạt các nguồn năng lượng tái tạo.
2. Mô hình điều khiển nối lưới cho microturbine
Hệ thống điều khiển nối lưới cho microturbine 
theo (A. Bertani, C. Bossi, F. Fornari 2004), bao 
gồm các thành phần cơ bản như hình 1. Mô hình 
microturbine sử dụng turbine khí kết hợp với máy 
phát điện PMSG, tạo ra điện áp xoay chiều (AC). 
Điện áp AC này qua bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía 
máy phát điện PMSG dùng để hòa đồng bộ với 
Lê Kim Anh1
Khoa hoïc Coâng ngheä14
Số 14, tháng 6/2014 14
lưới và cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới 
khi cần thiết, nghịch lưu phía lưới (DC/AC) nhằm 
giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian 
(U
dc
). R
t
, L
t
: điện trở và điện cảm của đường dây; 
θ
L
: góc điện áp lưới; P
mt
, Q
mt
: Công suất tác dụng 
và công suất phản kháng của microturbine; α
đk
: 
góc điều khiển, ω: tốc độ quay máy phát điện..v.v.
Hình 1. Sơ đồ điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG
2.1. Mô hình microturbine (MT)
Mô hình MT sử dụng turbine khí theo (Zhou 
Yunhai, Jürgen Stenzel 2009) bao gồm các khối 
điều khiển như hình 2. Các ngõ ra của điều khiển 
tốc độ, điều khiển gia tốc, điều khiển nhiệt độ là 
ngõ vào của khối chọn giá trị thấp (Low Value 
Select – LVS), ngõ ra của khối LVS là ngõ vào của 
hệ thống nhiên liệu.
Hình 2. Mô hình điều khiển microturbine
2.1.1. Điều khiển tốc độ và gia tốc
Khối điều khiển tốc độ và gia tốc theo 
(Noroozian R, Abedi M, Gharehpetian G. B, et al 
2009) có hàm truyền điều khiển như hình 3. Ở đây 
điều khiển tốc độ là một hàm có cấu trúc biến đổi 
(Lead/Lag) với Z: là hằng số; X(Y): là các biến 
đổi (Lead/Lag) theo hằng số của thời gian; W: là 
giá trị điều khiển mong muốn. Điều khiển gia tốc 
được sử dụng trong quá trình khởi động turbine, 
nhằm hạn chế tốc độ gia tốc của rotor. Nếu như 
tốc độ hoạt động của hệ thống gần với tốc độ đánh 
giá của nó, thì hệ thống điều khiển gia tốc có thể 
được loại bỏ.
2.1.2. Hệ thống nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu theo (S.Selvakumar, 
S.Manoharan, Dr.K.Ganambal 2012) có sơ đồ cấu 
trúc và các hàm truyền điều khiển như hình 4.
Hình 4. Sơ đồ điều khiển hệ thống nhiên liệu
Từ sơ đồ hình 4, ta có:
Ngõ ra của định vị van là: 
 (1)
Tín hiệu của nhiên liệu trong mỗi đơn vị là: 
 (2)
Trong đó: a: định vị van đạt được; b và T
f 
: định 
vị van và hằng số thời gian của hệ thống nhiên 
liệu; c : là hằng số; f
d 
: là ngõ vào của định vị van.
Trong đó: a: định vị van đạt được; b và T
f 
: định 
vị van và hằng số thời gian của hệ thống nhiên 
liệu; c : là hằng số; f
d 
: là ngõ vào của định vị van.
11
1 E
sT
W
f
f +
=
Hình 3. Sơ đồ điều khiển tốc độ và gia tốc
Khoa hoïc Coâng ngheä 15
Số 14, tháng 6/2014 15
2.1.3. Máy nén – Turbine
Tín hiệu ngõ vào turbine khí là W
f
, tín hiệu này 
được nhận từ hệ thống nhiên liệu và độ so lệch tốc 
độ ΔN. Tín hiệu ngõ ra là mômen của turbine khí. 
Theo (Ashwani Kumar, S. P. Jain, K. S. Sandhu, 
et al 2008) máy mén – turbine có các hàm truyền 
điều khiển như hình 5.
Hình 5. Sơ đồ điều khiển máy nén –turbine
Phương trình động học của turbine khí tính 
như sau :
(3)
Với T
CD 
: là hằng số thời gian động học của 
turbine khí. Đặc tính mômen của microturbine là 
ngõ vào của nhiên liệu thấp (W
f
) và tốc độ của 
turbine được xác định như sau :
(4)
2.1.4. Điều khiển nhiệt độ
Tín hiệu ngõ vào điều khiển nhiệt độ là nhiên 
liệu thấp (W
f
) và tốc độ turbine, tín hiệu ngõ ra 
đưa đến khối (LVS). Theo (Sreedhar R. Guda, C. 
Wang 2005) điều khiển nhiệt độ có các hàm truyền 
điều khiển như hình 6. Nhiên liệu được đốt cháy 
trong buồng đốt tạo ra mômen turbine và nhiệt độ 
của khí thải. Phương trình nhiệt độ khí thải của 
microturbine là ngõ vào nhiên liệu thấp (W
f
) và tốc 
độ của turbine được xác định như sau: 
(5)
Hình 6. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ
Ngõ ra của cặp nhiệt kế được so sánh với các 
giá trị đặt, ở đây K
4
, K
5
:
 là các hằng số của hàm 
bảo vệ bức xạ; T
3
, T
4
: là hằng số thời gian của hàm 
bảo vệ bức xạ và cặp nhiệt kế; T
5
, T
t
: là hằng số 
thời gian của hàm điều khiển nhiệt độ. Khi tín hiệu 
ngõ ra của điều khiển nhiệt độ thấp hơn ngõ ra của 
tốc độ điều khiển thì khối (LVS) sẽ hạn chế ngõ ra 
của turbine, lúc này turbine hoạt động trong chế 
độ điều khiển của nhiệt độ. Từ các công thức (1), 
(2), (3), (4) và (5) mô hình microturbine được xây 
dựng trên matlab/simulink với ngõ vào là tốc độ và 
ngõ ra là mômen, như hình 7.
NcWbaf ffff ∆++= .. 22222
NbWaTf fffR ∆+−−= .)1.( 2111
Hình 7. Mô hình microturbine xây dựng trên matlab/simulink
Mô hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh 
cửu (PMSG) có hai loại hệ trục tọa độ được sử 
dụng: hệ trục tọa độ αβ gắn cố định với stator và hệ 
trục tọa độ dq còn gọi là hệ tọa độ tựa theo hướng 
từ thông rotor, như hình 8.
Hình 8. Hệ trục tọa độ αβ và dq
Khoa hoïc Coâng ngheä16
Số 14, tháng 6/2014 16
Theo (Ashwani Kumar, K. S. Sandhu, S. P. 
Jain, et al 2009) phương trình điện áp của PMSG 
biểu diễn trên hệ trục tọa độ dq như sau:
 (6)
 (7)
Phương trình mômen được tính như sau:
(8)
Trong đó: L
d
, Lq: là điện cảm ở hệ tọa độ dq; Rs: 
điện trở stator; i
d, 
iq: dòng điện ở tọa độ dq; ud, uq: 
điện áp ở tọa độ dq; p: số đôi cực từ; T
e 
: mômen 
điện từ; λ: từ thông liên kết.
3. Các bộ biến đổi
3.1. Bộ chỉnh lưu và mạch một chiều trung gian
Sơ đồ bộ chỉnh lưu (AC/DC) điều chế theo 
phương pháp độ rộng xung PWM, như hình 9. 
Theo (Haoran Bai, Fengxiang Wang, Junqiang 
Xing 2007) để đạt được mục tiêu là điều khiển các 
thành phần công suất phát vào lưới từ microturbine 
sử dụng turbine khí, thì hiện nay có nhiều phương 
pháp để điều khiển cho bộ chỉnh lưu điều chế theo 
phương pháp độ rộng xung PWM. Dựa vào sơ đồ 
hình 9, ta xây dựng biểu thức điện áp của bộ chỉnh 
lưu PWM như sau:
Hình 9. Sơ đồ dòng điện và điện áp của bộ chỉnh lưu
Biểu thức (9) từ hệ tọa độ tĩnh (a-b-c) chuyển 
sang hệ tọa độ quay d-q (trong đó d theo trục 
hoành, q theo trục tung) được viết lại như sau:
Mạch một chiều trung gian (DC) theo (Sanjeev 
K nayak, D N Gaonkar 2012) phương trình điện áp 
U
dc
 được tính bằng biểu thức:
Trong đó: UAC: điện áp dây của bộ chỉnh lưu; 
X
c
: điện kháng của bộ chỉnh lưu; I 
dc
: dòng điện một 
chiều; α
đk
: góc điều khiển.
3.2. Bộ nghịch lưu và đồng bộ nối lưới
Theo (M. Z. C. Wanik, I. Erlich 2009) để đồng 
bộ nối lưới thông qua bộ nghịch lưu (DC/AC) sơ 
đồ cấu trúc như hình 1, mục 2. Đồng bộ nối lưới 
sử dụng bộ nghịch lưu để điều khiển công suất 
tác dụng (P
mt
) và công suất phản kháng (Q
mt
) của 
microturbine vào lưới. Ở đây bộ nghịch lưu điều 
khiển theo V/F, phương trình đồng bộ nối lưới 
được tính như sau:
với k = a,b,c là các thứ tự pha.
Phương trình (12) chuyển sang hệ tọa độ dq 
được viết lại như sau:
Trong đó: ω
n
: tần số góc danh định của hệ 
thống. Trong hệ tọa độ quy chiếu đồng bộ với điện 
áp lưới thì: u
Lq
 = 0 và P
mt
 = u
Ld
i
Ld
; Q
mt
 = - u
Ld
i
Lq
. 
Như vậy từ giá trị điện áp lưới đo được ta có thể 
tính toán giá trị đặt của dòng điện như sau: 
( )[ ]qdqdqe iiLLipT −+= λ2
3
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
Khoa hoïc Coâng ngheä 17
Số 14, tháng 6/2014 17
Từ đó, ta tính được các đại lượng:
Hệ thống điều khiển cơ bản được mô tả theo 
biểu thức sau:
*. Tổng hợp cấu trúc điều khiển P,Q:
Để điều khiển đồng bộ nối lưới cho công suất 
(P
mt,ref
 ,Q
mt,ref
) thông qua bộ nghịch lưu, ở đây sử 
dụng 2 bộ điều khiển PI và tổng hợp theo mạch 
vòng dòng điện, với các ngõ ra của hệ thống điều 
khiển là tín hiệu điều khiển cho PWM, phương 
trình tổng hợp u
Ld_ref
, u
Lq_ref
 được tính như sau:
Hình 10. Tổng hợp điều khiển P,Q của bộ nghịch lưu
4. Xây dựng mô hình và mô phỏng trên mathlab/
simulink
4.1. Xây dựng mô hình 
Từ cơ sở các biểu thức đã phân tích ở trên, kết 
hợp với sơ đồ cấu trúc điều khiển nối lưới hình 1, 
mục 2. Ta xây dựng mô hình điều khiển nối lưới 
cho microturbine sử dụng turbine khí và máy phát 
điện PMSG, như hình 11.
(14)
(15)
(16)
(17)
Hình 11. Sơ đồ hệ thống điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG
4.2. Kết quả mô phỏng
Hình 12. Điện áp điều khiển U
dc 
 (V) Hình 16. Điện áp bộ nghịch lưu (V)
Khoa hoïc Coâng ngheä18
Số 14, tháng 6/2014 18
Hình 13. Tốc độ máy phát điện (rad/s) Hình 17. Công suất tác dụng (W)
Hình 14. Điện áp bộ chỉnh lưu (V) Hình 18. Công suất phản kháng (Var)
Hình 15. Dòng điện nối lưới Iabc (A) Hình 19. Điện áp nối lưới Uabc (V)
Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng ta thấy, ở thời điểm 
t < 0.02s, mô hình hệ thống điều khiển nối lưới cho 
microturbine làm việc ở trạng thái không tải. Tại thời 
điểm t ≥ 0.02s, các giá trị dòng điện, điện áp và công 
suất luôn đạt giá trị đặt và hệ thống điều khiển bắt đầu 
làm việc ở trạng thái ổn định, lúc này đồng bộ nối lưới.
5. Kết luận 
Mô hình điều khiển nối lưới cho microturbine 
sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 
(PMSG) đã phát huy tối đa công suất phát ra của 
hệ thống, bất chấp tải nối với hệ thống. Mô hình điều 
khiển nối lưới thông qua bộ biến đổi AC/DC và DC/AC 
với ưu điểm là khả năng truyền năng lượng theo cả 2 
hướng với góc điều khiển thay đổi được, mặc khác dung 
lượng sóng hài thấp, điều này có ý nghĩa lớn đến việc 
cải thiện chất lượng điện năng. Mô hình điều khiển nối 
lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG 
nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh 
và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn phát điện 
phân tán.
Tài liệu tham khảo
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. Đại Học Công nghiệp Hà Nội, số (12). 
Bertani,A., Bossi, C. & Fornari, F. 2004. A Microturbine Generation System for Grid Connected and Islanding 
Opertion.Accepted for presentation at IEEE PSCE. New York. October 10 -13.
Zhou Yunhai & Jürgen Stenzel. 2009. Simulation of a Microturbine Generation System for Grid Connected and 
Islanding Operations.IEEE.
Noroozian R, Abedi M & Gharehpetian G. B, et al.2009. Modelling and Simulation of Microturbine Generation 
System for on-grid and off - grid Operation Modes.Valencia (Spain).15th to 17th April.
Selvakumar, S. & Manoharan,S. & Ganambal, K. 2012. “Modelling and simulation of micro turbine based 
smart grid system”. International Journal of Communications and Engineering,Volume 05 – No.5.
Kumar, A., Jain, S.P. & Sandhu, K.S., et al. 2008. “New Converter Controller Model for Modeling of 
Microturbine Based Distributed Generation System”. International Conference on renewable energy sources.
Sreedhar R. Guda & Wang.C 2005. A Simulink-Based Microturbine Model for Distributed Generation Studies. IEEE.
Kumar, A., Sandhu, K.S. & Jain, S.P., et al. 2009. “Modeling and Control of Micro-Turbine Based Distributed 
Generation System”. International journal of circuits, systems and signal processing, Issue 2.Volume 3.
Haoran Bai, Fengxiang Wang & Junqiang Xing. 2007. Control Strategy of Combined PWM Rectifier/ Inverter 
for a High Speed Generator Power System.IEEE.
Sanjeev K Nayak & Gaonkar.DN. 2012. “Modeling and Performance Analysis of Microturbine Generation 
System in Grid Connected/Islanding Operation”. International journal of renewable energy research, Sanjeev K 
Nayak et al, Vol.2. No.4.
Wanik, M. Z. C. & Erlich, I. 2009. Simulation of Microturbine Generation System Performance during Grid 
Faults under new Grid Code Requirements. IEEE.