Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai của nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu trong lưới điện nhỏ

118
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAI CỦA NGUỒN PIN 
MẶT TRỜI VÀ PIN NHIÊN LIỆU TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ
RESEARCH CONTROL SYSTEM OF HYBRID SOLAR 
AND FUEL CELLS IN MICROGRID
 Lê Kim Anh(*)
TÓM TẮT
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả 
ngùn pin mặt tr̀i cũng như pin nhiên liệu đ̉ 
phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm 
biến đổi kh́ hậu và giảm sự phụ thuộc vào các 
ngùn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, 
gây ô nhiễm môi trừng. Điều khỉn hệ thống 
lai c̉a ngùn pin mặt tr̀i và pin nhiên liệu sử 
dụng các bộ biến đổi điện tử công suất có những 
ưu đỉm như: Hệ thống nối lứi ch̉ động được 
ngùn nhiên liệu đầu vào, khả nĕng truyền nĕng 
lượng theo cả 2 hứng. Kết hợp v́i mạch ḷc sẽ 
giảm sóng hài qua lứi và loại trừ các sóng hài 
bậc cao, điều này có ý nghĩa ĺn đến việc cải 
thiện chất lượng điện nĕng. Bài báo đã đưa ra 
được kết quả mô ph̉ng điều khỉn hệ thống lai 
cho ngùn pin mặt tr̀i và pin nhiên liệu sử dụng 
các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm duy tr̀ 
công suất phát tối đa c̉a hệ thống bất chấp tải 
nối v́i hệ thống. 
Từ khóa: Điều khiển lai; nĕng lượng tái 
tạo; nguồn công suất nhỏ; nguồn phân tán.
ABSTRACT
The research on using and exploiting 
effectively solar cell and fuel 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. Control hybrid system 
for grid connecting of solar cell and fuel 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 suppress high order harmonics 
on the grid will also have a signiical effect on 
power quality improving. The article presents 
simulation result of control hybrid system of an 
integrated solar cell and fuel cell power system 
using power electronic converters, which 
maintains maximum capacity of the systems 
with a disregard of connected power loads.
Key words: Control hybrid; renewable 
energy; small power sources; distributed 
generation. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, nguồn nĕng lượng truyền thống 
trên thế giới ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi chúng 
ta cần tìm kiếm nguồn nĕng lượng mới để thay 
thế dần các nguồn nĕng lượng truyền thống. Các 
nguồn nĕng lượng tái tạo như nĕng lượng gió, 
nĕng lượng mặt trời, nĕng lượng địa nhiệt,... là 
một giải pháp bù đắp sự thiếu hụt của điện nĕng. 
Các nguồn nĕng lượng tái tạo có đặc điểm là 
trữ lượng lớn nhưng phân bố phân tán không 
tập trung, cần phải có sự can thiệp của các giải 
pháp kỹ thuật để thu gom chúng, hòa vào lưới 
điện thống nhất và quản lý giám sát điện nĕng 
một cách linh hoạt, đảm duy trì sự cân bằng giữa 
cung và cầu. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng 
nguồn nĕng lượng mặt trời và nguồn pin nhiên 
(*) Trừng Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa
Kỹ thuật
119
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
liệu 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 nghịch lưu (DC/AC) phía 
lưới nhằm giữ ổn định điện áp, 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 lai 
cho nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu 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 nguồn pin mặt trời kết hợp với 
nguồn pin nhiên liệu nói riêng. Theo [1], nguồn 
pin mặt trời (Photovoltaic cell) kết hợp với nguồn 
pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton 
Exchange Membrane Fuel Cells – PEMFC), 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: Nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu 
điều 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.
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 
Hình 1. Sơ đồ điều khiển hệ thống lai của nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu
tin cậy, do điện áp ở đầu ra của pin mặt trời và 
pin nhiên liệu không đủ lớn để có thể cung cấp 
cho đầu 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. 
120
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
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 Ui. Khi đó công suất 
trên cuộn dây L được tính như sau: 
Với điều kiện dòng qua cuộn dây L là hằng số, công suất qua cuộn dây L được viết lại như sau:
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:
Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL là hằng số lúc đó công suất đầu ra được viết lại như sau:
Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như sau:
 (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.
Hình 2. Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC Hình 3. Giản đồ xung đóng ngắt của bộ biến đổi 
DC/DC 
121
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
Hình 4. Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu Hình 5. Giản đồ xung đóng ngắt bộ nghịch lưu
2.2. Bộ nghịch lưu (DC/AC)
Việc nghiên cứu các bộ nghịch lưu bằng các phương pháp điều chế theo 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 thay đổi được, dung lượng sóng hài 
thấp..v.v. 
2.2.1. Mô hình toán học cho bộ nghịch lưu
Theo [3], 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 4.
Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp:
Gọi N là điểm nút của tải 3 pha dạng hình (Y). Dựa vào sơ đồ hình 4, điện áp pha của các tải được 
tính như sau:
Thay biểu thức (8) vào biểu thức (7) ta có phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như sau:
122
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
Điện áp dây trên tải được tính như sau: 
2.2.2. Cấu trúc điều khiển cho bộ nghịch lưu
Theo [4], 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:
Hình 6. Điều khiển cho 2 mạch vòng dòng điện Hình 7. Điều khiển mạch vòng trong của dòng điện
2.3. Phương pháp điều khiển bám điểm 
công suất cực đại
Hiện nay có nhiều kỹ thuật để điều khiển 
tuabin gió và pin nhiên liệu theo phương 
pháp bám điểm công suất cực đại ( Maximum 
Point Power Tracking, MPPT). Ở mỗi kỹ 
thuật điều khiển đều có những ưu và nhược 
điểm khác nhau. 
Theo [5], Các kỹ thuật này có thể phân thành 
2 nhóm chính như sau: kỹ thuật tìm kiếm và kỹ 
thuật tìm kiếm dựa trên mô hình. Ở kỹ thuật tìm 
kiếm dễ thực hiện nhưng đòi hỏi một số bước 
123
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
Hình 9. Đặc tính làm việc của pin mặt trời Hình 10. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Hình 8. Lưu đồ thuật toán P& O điều khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT
lớn mới hội tụ được điểm cực đại (Maximum 
Point Power, MPP) trong khi đó sẽ hội tụ rất 
nhanh điểm MPP với kỹ thuật tìm kiếm dựa trên 
mô hình. Hình 8, lưu đồ thuật toán P&O điều 
khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT.
3. MÔ HÌNH NGUỒN PIN MẶT TRỜI VÀ PIN NHIÊN LIỆU
3.1. Mô hình pin mặt trời (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 9. 
124
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
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 8 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.
3.2. Mô hình toán học pin mặt trời (PV)
* Dòng điện đầu ra của pin theo [6], được tính như sau: 
Trong đó:
q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k: hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K, Is: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 (13) dòng quang điện phụ thuộc vào nĕng lượng mặt trời và nhiệt độ làm việc của 
pin do đó:
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:
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 11. 
Vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là:
125
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
Từ các biểu thức (13), (14), (15), (16) 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 12.
Hình 11. Dòng điện 1 modul tấm pin
Hình 12. Mô hình pin mặt trời
3.3. 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 
[7], mô hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton – PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 
được tính như sau: 
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); 2HK : 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: 
126
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
Trong đó T: nhiệt độ tuyệt đối (K); Van: thể tích anốt (m3); inHq 2 :dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s); outHq 2
:dòng chảy đầu ra hydro (kmol/s); rHq 2 :dòng chảy hydro trong phản ứng (kmol/s). Biểu thức (19) rHq 2 được tính 
như sau:
Với: N0: số lượng của pin nhiên liệu trong ngĕn xếp; NS: số ngĕn 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 (17),(20) ta biến đổi Laplace, áp suất hydro được viết lại như sau:
Với: 
2Hτ : hằng số thời gian của hydro (s) và 
Điện áp của hệ thống pin nhiên liệu được tính như sau: Vcell=E+ηact+ηohmic (22)
 ở đây: 
 và 
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 [8] điện áp tức thời được xác định như sau:
Trong đó: E0: điện áp chuẩn khi không tải (V); PO2: áp suất riêng phần của oxy (atm)PH2O: 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 [9] lượng khí hydro có sẵn từ thùng chứa hydro được tính như sau: 
Trong đó:
req
Hq 2 : 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. Dựa vào các biểu thức đã phân tích ở 
mô hình pin nhiên liệu, mục 3.2. Mô hình được xây dựng trên Matlab/Simulink, như hình 13.
127
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
Hình 13. Mô hình pin nhiên liệu
Hình 14. Sơ đồ điều khiển lai của nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu 
4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK
4.1. Xây dựng mô hình trên matlab - simulink
Mô hình ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt 
trời và pin nhiên liệu được xây dựng trên matlab – simulink, như hình 14. 
128
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
4.2. Kết quả mô phỏng trên matlab - simulink
129
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
5. KẾT LUẬN
Hệ thống điều khiển lai sử dụng các bộ 
biến đổi điện tử công suất trong điều khiển cho 
nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu trong lưới 
điện nhỏ, kết hợp với giải thuật điều khiển bám 
điểm công suất cực đại (MPPT), đã phát huy 
đối đa công suất phát ra của hệ thống, 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 điều khiển luôn làm việc ổn định. 
Mô hình nối lưới được thông qua máy biến áp 
400V/22kV và đường dây tải điện. Hệ thống 
điều khiển lai cho nguồn pin mặt trời và pin 
nhiên liệu trong lưới điện nhỏ, 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 nĕng 
lượng tái tạo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Lê Kim Anh, 2013. Ứng dụng các bộ biến 
đổi điện tử công suất trong điều khỉn nối lứi 
các ngùn phân tán. Tạp chí khoa học,Trường 
đại học Cần Thơ, số 28,1-8.
[2]. Bengt, Johansson, 2003. Improved 
Models for DC-DC Converters. Department 
of Industrial Electrical Engineering and 
Automation Lund University.
[3]. Nguyễn, Vĕn Nhờ. Điện tử công suất. 
Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Bách 
Khoa TP. Hồ Chí Minh.
[4]. Lê Kim Anh, 2013. Ứng dụng các bộ biến 
đổi điện tử công suất trong điều kiện nối lứi 
cho tuabin gió và ngùn pin mặt tr̀i. Tạp chí 
Kinh tế Kỹ thuật, Trường đại học Kinh tế Kỹ 
thuật Bình Dương, số 3 (T9), 57-68.
[5]. Lê Kim Anh, 2016. Điều khỉn nối lứi cho 
hệ thống lai c̉a tuabin gió và ngùn pin nhiên 
liệu. Nĕng lượng Việt Nam 2016, số 130 tr.63-71.
[6]. Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc 
Huy, 2012. Mô h̀nh điều khỉn nối lứi cho 
ngùn điện mặt tr̀i.Tạp chí khoa học và công 
nghệ, Đại Học Đà Nẵng, Số 11(60), 1-6.
[7]. Lê Kim Anh, 2012. Xây dựng mô h̀nh điều 
khỉn nối lứi sử dụng ngùn pin nhiên liệu.Tạp 
chí khoa học và công nghệ, Đại học công nghiệp 
Hà Nội, số 12.
[8]. M. Hashem Nehrir, Caisheng Wang, 2009.
Modeling and control of fuel cells. Books in the 
IEEE press series on power engineering.
[9]. M.Y. El-Sharkh, A. Rahman, M.S. Alam, 
et al, 2004. Adynamic model for a stand-alone 
PEM fuel cell power plant for residential 
applications. Journal of Power Sources 138, 199 
– 204.