Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho Tuabin gió

24 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 58, Kỳ 1 (2017) 24-32 
Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển 
nối lưới cho Tuabin gió 
Lê Kim Anh * 
Khoa Điện - Điện tử, Trường Cao Đẳng Công nghiệp Tuy Hòa, Phú Yên, Việt Nam 
THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT 
Quá trình: 
Nhận bài 06/9/2016 
Chấp nhận 01/12/2016 
Đăng online 28/02/2017 
 Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió 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. Nối lưới tuabin gió sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất 
có những ưu điểm như: khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng, kết 
hợp với mạch lọc sẽ giảm sóng hài qua lưới và loại trừ các sóng hài bậc 
cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện năng. Bài 
báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng điều khiển nối lưới cho tuabin gió 
sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất. Ở đây sử dụng giải thuật hệ bám 
điểm công suất cực đại nhằm đảm bảo rằng tuabin gió sẽ luôn luôn làm 
việc ở điểm cực đại khi tải thay đổi. 
© 2017 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 
Từ khóa: 
Năng lượng tái tạo 
VOC 
DPC 
VFVOC 
VFDPC 
1. Mở đầu 
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 nói riêng là dạng 
nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi 
trường, đồng thời tiềm năng về trữ lượng năng gió 
ở nước ta rất lớn. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng 
nguồn năng lượng gió 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 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 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 pin nhiên liệu nói 
riêng. Theo (Onar, Uzunoglu, Alam, 2006) tuabin 
gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm 
vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous 
_____________________ 
*Tác giả liên hệ 
E-mail: tdhlekimanh@gmail.com 
Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 25 
generator - PMSG) 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). 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 chỉnh 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 thay đổi được (góc điện), dung lượng sóng 
hài thấp..v.v. 
2.1.1. Mô hình toán học cho bộ chỉnh lưu 
Sơ đồ bộ chỉnh lưu điều chế theo phương 
pháp độ rộng xung (PWM), như Hình 2. Theo (Bai, 
Wang, Xing, 2007) để đạt được mục tiêu là điều 
khiển các thành phần công suất phát vào lưới từ 
tuabin gió thì hiện nay có nhiều phương pháp để 
điều khiển cho bộ chỉnh lưu PWM như phương 
pháp: VOC, DPC, VFVOC, VFDPC. 
Dựa vào sơ đồ Hình 2, ta xây dựng biểu thức 
điện áp của bộ chỉnh lưu PWM như sau: 
Ld
dc
Ndcccc
c
Ndcbbb
b
Ndcaaa
a
ii
dt
du
C
uuSeRi
dt
di
L
uuSeRi
dt
di
L
uuSeRi
dt
di
L
)(
)(
)(
0
0
0
Biểu thức (1) chuyển sang hệ tọa độ dq được 
viết lại như sau: 
Lq
q
d
ddc
ddcqqq
q
qdcddd
d
ii
S
i
S
dt
du
C
LiuSRie
dt
di
L
LiuSRie
dt
di
L
2
3
2
3


2.1.2. Mô hình toán học cho bộ nghịch lưu 
Theo (Nguyễn Văn Nhờ, 2015) bộ nghịch lưu 
dùng để biến đổi điện áp một 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 3. 
Hình 1. Sơ đồ điều khiển tuabin gió nối lưới. 
Hình 2. Sơ đồ dòng điện và điện áp của bộ chỉnh 
lưu. 
(1) 
(2) 
Hình 3. Sơ đồ bộ nghịch lưu. 
26 Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 
Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp: 
0321 ttt uuu 
Gọi N là điểm nút của tải 3 pha dạng hình (Y). 
Dựa vào sơ đồ hình 3, điện áp pha của các tải được 
tính như sau: 
0303
0202
0101
Nt
Nt
Nt
uuu
uuu
uuu
Với: 
3
302010
0
uuu
uN
Thay biểu thức (5) vào biểu thức (4) ta có 
phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như sau: 
3
2
3
2
3
2
201030
3
103020
2
302010
1
uuu
u
uuu
u
uuu
u
t
t
t
Điện áp dây trên tải được tính như sau: 
103031
302023
201012
uuu
uuu
uuu
t
t
t
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. 
2.2. Cấu trúc điều khiển cho bộ chỉnh lưu và 
nghịch lưu 
Theo (Yang, et al, 1999) giá trị đầu ra của điện 
áp qua bộ chỉnh lưu và nghịch lưu, chuyển sang hệ 
tọa độ dq được tính như sau: Từ biểu thức (2) của 
mô hình toán học bộ chỉnh lưu đã phân tích ở trên. 
Ở đây Vd = Sdudc, Vq = Squdc, Sd, Sq là các điện áp vào 
của bộ chỉnh lưu, biểu thức (2) được viết lại như 
sau: 
)(
2
3
qqdd
L
dcdc
dqqq
q
qddd
d
iSiS
R
u
dt
du
C
LiVRie
dt
di
L
LiVRie
dt
di
L


 qddddidpd Lieii
S
K
KV  
 **
 dqqq
qi
qpq Lieii
S
K
KV  
 **
(3) 
Hình 4. Giản đồ xung đóng ngắt bộ nghịch lưu. 
(4) 
(5) 
(6) 
(7) 
(8) 
(9) 
(10) 
Hình 5. Sơ đồ điều khiển cho mạch vòng điện áp. 
Hình 6. Điều khiển mạch vòng trong của dòng điện . 
Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 27 
Mặt khác theo (Kazmierkowski, Krishnan, 
Blaabjerg, 2002) hàm truyền của mạch lọc được 
tính như sau: 
SLRsu
si
sG f
1
)(
)(
)(
Hàm truyền của PWM 
ST
sG
s
d
5.11
1
)(
Từ các biểu thức (8), (9), (10), (11) và (12) 
cấu trúc điều khiển mạch vòng điện áp và mạch 
vòng dòng điện cho bộ chỉnh lưu và nghịch lưu 
được mô tả, như Hình 5 và Hình 6. 
3. Mô hình tuabin gió 
3.1. Mô hình tuabin gió 
Theo (Lê Kim Anh, 2013) công suất của 
tuabin gió được tính theo biểu thức: 
3
2
),( v
A
CP pm
 
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 (13) ta thấy vận tốc gió là yếu tố 
quan trọng nhất của công suất; công suất đầu ra 
tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc. Hệ số biến đổi 
năng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (13) được tính 
như sau: 


  0068.0)54.0
116
(5176.0),(
21
ieC
i
p
với 
31
035.0
08.0
11
 
i 
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. Do 
vậy mômen của tuabin gió được tính như sau: 
3
3
5
2
1



p
m
m CR
P
T 
Mặt khác tuabin gió có thể vận hành theo các 
quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc độ 
của gió. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa 
Pm và tốc độ gió, như Hình 8. 
Từ các biểu thức (13), (14), (15), (16) đã phân 
tích 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 9. 
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  gắn cố định với Stator và hệ tọa 
độ dq còn gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ thông 
rotor, như Hình 10. Theo (Nguyễn Phùng Quang, 
2006) phương trình dòng điện và điện áp của 
PMSG biểu diễn trên hệ tọa độ dq như sau: 
sd
sd
sq
sd
sq
ssd
sd
sd u
L
i
L
L
i
Tdt
di 11
 
sq
p
ssq
sq
sq
sq
sd
sq
sd
s
sq
L
u
L
i
T
i
L
L
dt
di 
 
11
Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh 
cực; Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực; 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:
(12) 
(11) 
(13) 
(14) 
(15) 
(16) 
Hình 7. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Cp 
và λ.. 
Hình 8. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa 
Pm và tốc độ gió. 
(17) 
(18) 
28 Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 
Hình 9. Mô hình tuabin gió. 
UA 
UB 
Tọa độ α 
Tọa độ β 
Tọa độ d 
Tọa độ q 
θ 
ω
UC 
Hình 10. Hệ trục tọa độ αβ và dq. 
Hình 11. Mô hình máy phát điện PMSG. 
Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 29 
 )(
2
3
sqsdsqsdsqpcM LLiiiPm 
Để xây dựng mô hình PMSG trên 
matlab/simulink dựa vào biểu thức (17), (18), 
(19), như Hình 11. 
3.3. Phương pháp điều khiển bám điểm công 
suất cực đại 
Hiện nay có nhiều kỹ thuật để điều khiển 
tuabin gió 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. Hình 12 sơ đồ nguyên lý 
điều khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT. 
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 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 13, 
lưu đồ thuật toán P&O điều khiển trực tiếp theo 
phương pháp MPPT. Trong Hình 13, Bộ điều 
khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp 
V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P = P1-P2 , ∆V = Vdc1 
-Vdc2. 
4. Xây dựng mô hình trên Matlab-Simulink 
4.1. Xây dựng mô hình trên Matlab-Simuink 
Mô hình được xây dựng dựa trên sơ đồ cấu 
trúc điều khiển nối lưới cho tuabin gió và ứng 
dụng các bộ biến đổi điện tử công suất như đã 
phân tích ở Hình 1, mục 2. Sơ đồ mô phỏng trên 
Matlab - Simulink như Hình 14. 
4.2. Kết quả mô phỏng trên Matlab - Simuink
(19) 
Tuabin 
gió 
Thuật 
toán 
MPPT 
Tải 
Hình 12. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp theo 
phương pháp MPPT. 
Vdc1, Idc1, Vdc2, Idc2 
 P1 - P2 = 0 
P1 - P2 >0 
Vdc1-Vdc2 >0 Vdc1-Vdc2 < 0 
Return 
V = V+ΔV V = V+ΔV V = V -ΔV V = V -ΔV 
P1 = Idc1. Vdc1 
Start 
Hình 13. Lưu đồ thuật toán P& O điều khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT. 
30 Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
t/s 
Hình 14. Mô hình điều khiển tuabin gió nối lưới. 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-500
0
500
1000 
t/s
650Vdc V
380Vg V
Hình 15. Điện áp ra của chỉnh lưu và nghịch lưu (V). 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-5000
0
5000
10000
15000
Hình 16. Công suất của tuabin gió (W). 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
t/s
Hình 17. Điện áp ngõ ra Uabc (V). 
Hình 18. Dòng điện ngõ ra Iabc (A). 
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-100
0
100
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
Time (s)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
5
10
15
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 40.2 , THD= 4.95%
M
a
g
(
%
o
f
F
u
n
d
a
m
e
n
t
a
l)
Hình 19. Đặc tính sóng hài của dòng điện. 
Hình 20. Điện áp nối lưới Uabc (V). 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-3
-2
-1
0
1
2
3
x 10
4
Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 31 
Nhận xét: Trong Hình 15 thể hiện điện áp ra 
của bộ chỉnh lưu là điện áp một chiều Vdc = 650V, 
điện áp ra bộ nghịch lưu Vg = 380V. Ở thời điểm t 
< 0.02s, hệ thống làm việc không tải, lúc này tuabin 
gió bắt đầu phát ra công suất được thể hiện trên 
Hình 16. Đồng thời điện áp và dòng điện ra được 
thể hiện trên Hình 17 và Hình 18. Trong khoảng 
thời gian 0.02s đến 0.1s, hệ thống điều khiển 
tuabin gió vận hành mang tải, lúc này điện áp và 
đáp ứng của tần số có dao động, nhưng nằm trong 
phạm vi cho phép theo tiêu chuẩn IEEE 1547 thể 
hiện trên Hình 17 và Hình 21. Sử dụng giải thuật 
điều khiển MPPT tại thời điểm t = 0.1s hệ thống 
bắt đầu nối với lưới và công suất phát đạt giá trị 
lớn nhất thể hiện trên Hình 16. Khi thực hiện đồng 
bộ với lưới các giá trị điện áp, tần số và công suất 
đầu ra luôn bằng giá trị đặt, hệ thống làm việc luôn 
ở trạng thái ổn định. 
5. Kết luận 
Điều khiển nối lưới cho tuabin gió ứng dụng 
các bộ biến đổi điện tử công suất và sử dụng giải 
thuật điều khiển MPPT đã phát huy tối đa công 
suất phát ra của hệ thống. Hệ thống điều khiển nối 
lưới thông qua máy biến áp 400V/22kV và đường 
dây tải điện. Việc ứng dụng các bộ biến đổi điện tử 
công suất trong điều khiển nối lưới cho tuabin gió 
là nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông 
minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các 
nguồn năng lượng tái tạo. 
Tài liệu tham khảo 
Yang Degang, Zhao Liangbing, Liu Runsheng, 
1999. Modeling and closed - loop cotroller 
design of three - phase high power factor 
Rectifier. Power Electronics. 49 - 52. 
Bai Haoran, Wang Fengxiang, Xing Junqiang, 
2007. Control Strategy of Combined PWM 
Rectifier/ Inverter for a High Speed Generator 
Power System. Conference on Industrial 
Electronics and Applications. Harbor, China. 
Kazmierkowski. M., Krishnan, R., Blaabjerg, F., 
2002. Control in Power Electronics - Selected 
Problems. Academic Press. 
Lê Kim Anh, 2013. Ứng dụng các bộ biến đổi điện 
tử công suất trong điều khiển nối lưới các 
nguồn phân tán. Tạp chí khoa học, Đại Học Cần 
Thơ 28, 1-8. 
Nguyễn Phùng Quang, 2006. Matlab & Simulink 
dành cho kỹ sư điều khiển tự động. Nhà xuất bản 
Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội. 
Nguyễn Văn Nhờ, 2015. Giáo trình Điện tử công 
suất 1. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội. 
Onar, O.C., Uzunoglu, M., Alam, M.S., 2006. 
Dynamic modeling, design and simulation of a 
wind/fuel cell/ultra -capacitor-based hybrid 
power generation system. Journal of Power 
Sources 161, 707 - 722. 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
49.985
49.99
49.995
50
50.005
50.01
t/s
f(
H
z)
fTuabin gió 
fLưới 
Hình 21. Đáp ứng tần số. 
Bảng 1. Các thông số cơ bản của PMSG. 
32 Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 
ABSTRACT 
Application of power electronic converters in grid-connected 
control of wind turbine 
Anh Kim Le 
Faculty of Electrical and Electronic Engineering, Tuy Hoa Industrial College, Vietnam. 
Doing research to efficiently exploit the wind power for electricity generation plays an important 
role to reducing climate change as well as lessening the reliance on the fossil fuels which are at high 
risks of exhaustion, causing environmental pollution. The advantageous point of connecting wind 
turbines by using the capacity electronic shifting sets is two-directional energy transmission. 
Especially, as connected with the filtering net, it will surely reduce harmonics via nets except for high 
level harmonics, which is greatly meaningful towards improving electricity power quality. The article 
presents the results of modeling and monitoring connecting nets to wind turbines by using the 
capacity electronic conversion of electrical energy. The algorithm of maximum point power tracking 
system are applied to ensure wind turbines to be constantly working of maximum point power when 
changing at the changes of transmission.