Cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ tích hợp trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel có sử dụng khâu lọc thông thấp

, tuy TLN 
 DD 
nhiên vấn đề lựa chọn dạng thuật toán lọc nào không NN ;H 
 TT 
thuộc phạm vi quan tâm của bài báo. Vì vậy, để thuận tiện ω T 1 0 
 N TL 
cho việc lập trình hàm trong môi trường MATLAB/Simulink, DD 
nhóm tác giả sử dụng khâu lọc thông thấp IIR kiểu (2) 
Butterworth được MATLAB hỗ trợ dưới dạng hàm cho sẵn. Cũng theo tài liệu [9], mục tiêu thiết kế khâu điều chỉnh 
Nhóm tác giả thực hiện khảo sát trên profile gió với các bộ dòng với đáp ứng dead-beat và đảm bảo tách kênh giữa 
lọc có bậc và tần số cắt thay đổi. Từ các kết quả thu được hai thành phần dòng điện thì mô hình khâu điều chỉnh 
dưới dạng đồ thị và dữ liệu dạng số để lựa chọn bậc và tần dòng có dạng như (3). 
số cắt sao cho đảm bảo khử được các biến động công suất 
 I z 1
bậc cao nhưng công suất yêu cầu của kho điện là nhỏ nhất. R N (3) 
 IN 1 z 2
 hiÖu qu¶ läc c«ng suÊt
 Sử dụng nguyên tắc cân bằng năng lượng trong hệ và 
 P
 15000 WT
 P (B1;0.5Hz) giả thiết bỏ qua tổn hao thu được phương trình (4). 
 filtered
 P (B2;0.5Hz) 2
 10000 filtered
 1 duDC
 P (B3;0.5Hz)
 filtered C pinv p SC (4) 
 5000 2 dt
 C«ng suÊt t¸c dông suÊt t¸c [W] C«ng dông 
 0 Đặt biến điều khiển  =  thì (4) viết lại như (5). 
 0 10 20 30 40 50 60 
 1 dη 3
 c«ng suÊt yªu cÇu cña kho ®iÖn C u i p (5) 
 Nd d SC
 5000 P (B1;0.5Hz) 2 dt 2
 ESS
 P (B2;0.5Hz)
 ESS Chuyển (5) sang miền Laplace thu được hàm truyền đạt 
 0
 P (B3;0.5Hz)
 ESS của đối tượng như (6). 
 -5000 k 1
 Gu () s 
 C«ng suÊt t¸c dông [W] C«ng suÊt -10000 Cs 1 2T s (6) 
 0 10 20 30 40 50 60 RI
 Thêi gian [s] 
 k 3uNd
 Hình 3. Khảo sát hiệu quả của bộ lọc thông thấp khi thay đổi bậc Theo [10], thực hiện tổng hợp bộ điều khiển sử dụng 
 Với cùng một tần số cắt 0,5Hz, khi thay đổi bậc của bộ phương pháp tối ưu đối xứng cho đối tượng ta thu được 
lọc thu được kết quả như hình 3. Bậc tăng lên thì hiệu quả bộ điều khiển PI với các tham số như (7). 
lọc tốt hơn nhưng đồng nghĩa với việc tăng công suất của 
 1 
SCESS cũng như tăng khối lượng tính toán mà thiết bị điều GRUdc() s k pu 1 
 T s 
khiển phải thực hiện. Khâu lọc bậc 2 với tần số cắt 0,5Hz u (7) 
cho đáp ứng lọc tốt hơn khâu bậc 1 và đòi hỏi yêu cầu tính C 1
 k ; T 8T
toán cũng như yêu cầu về công suất phải đáp ứng thấp pu u RI
 k 4TRI
hơn khâu bậc 3. Công suất lớn nhất mà SCESS phải đáp ứng 
 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC 
 = 7,595 []. Vì vậy, trong luận án này, tác giả 
lựa chọn khâu lọc bậc 2 với tần số cắt 0,5Hz. Xuất phát từ mô hình động học bộ biến đổi DC-DC hai 
 chiều không cách ly như (8) với Hệ số điều chế d chính là 
 Điều khiển bộ biến đổi DC-AC 
 giá trị trung bình của tín hiệu chuyển mạch trong một chu 
 Nội dung thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-AC [8] với kỳ chuyển mạch, các biến trạng thái là các giá trị trung bình 
phương pháp điều khiển tựa hướng điện áp lưới (VOC) áp 
 của dòng điện chảy qua cuộn cảm  = 〈〉 và điện áp 
dụng theo [9]. 
 trên tụ DC-link  = 〈〉 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 2 (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 5
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 R 1 u Bảng 1. Tham số mô phỏng hệ thống 
 x L x x d SC
 1LLL 1 2
 (8) Tên tham số Giá trị Đơn vị 
 1 i
 x x d inv Tham số hệ phát điện sức gió 
 2 1
 CC 1 Bán kính cánh turbine 5 m 
 Mô hình (8) có đặc điểm quan trọng là khả năng chuyển 2 Tốc độ gió trung bình 7 m/sec 
 tự nhiên (không cưỡng bức, không khóa chuyển) giữa chế 
 3 Chiều cao cột 30 m 
 độ nạp - xả của dòng điện thông qua tác động thay đổi hệ 
 số điều chế. Vấn đề này đã được kiểm chứng trong [8]. Để 4 Tốc độ gió “cut-in”; “cut-out” 3; 25 m/sec 
 thiết kế điều khiển sao cho dòng điện trung bình qua cuộn 5 Mật độ không khí 1,25 Kg/m3 
 cảm tương ứng với biến trạng thái x1 bám theo giá trị đặt 6 Điện trở stator PMG 0,1764 Ω 
 iLref cả về dấu và độ lớn có thể áp dụng hai phương pháp: 
 thiết kế điều khiển phi tuyến hoặc thiết kế tuyến tính dựa 7 Điện cảm phần ứng PMG 4,24 mH 
 trên mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Bài báo 8 Số đôi cực 18 
 này giới thiệu cách thiết kế điều khiển tuyến tính. 9 Công suất danh định máy phát 20 kW 
 Khi thiết kế bộ điều khiển dòng điện, ta có thể giả thiết Tham số hệ phát điện Diesel 
 biến động của điện áp trên tụ là chậm hơn rất nhiều so với 
 10 Công suất danh định 60 kVA 
 dòng điện chảy qua cuộn cảm. Thêm vào đó, giả sử bộ điều 
 khiển ổn định điện áp trên DC-link trong cấu trúc điều 11 Điện áp danh định 400 V 
 khiển của DC-AC phát huy hiệu quả thì uDC sẽ được duy trì 12 Tần số danh định 50 Hz 
 là hằng số. Vì vậy, khi tuyến tính hóa quanh điểm làm việc 13 Tốc độ danh định 1500 Rpm 
 đối với hệ (8) ta có các giả thiết biến động của điện áp 
 Tham số kho điện sử dụng siêu tụ 
 DC-link bị bỏ qua ( = 0). Thực hiện tuyến tính hóa 
 phương trình đầu tiên của (8) quanh điểm làm việc (X1e, X2e) 14 Điện dung siêu tụ 41429 F 
 thu được: 15 Điện trở tương đương 0,28 Ω 
  RL 1  16 Điện cảm mạch DC-DC 1,4 mH 
 x1 x 1 X 2e d (9) 
 LL 17 Điện trở cuộn cảm mạch DC-DC 0,05 Ω 
 Hàm truyền đạt giữa dòng điện chảy qua cuộn cảm và 18 Điện dung tụ DC-link 650 µF 
 hệ số điều chế như sau: 
 19 Điện cảm cuộn lọc DC-AC 2 mH 
 X
 2e 20 Điện trở cuộn cuộn lọc DC-AC 0,05 Ω 
 x1() s R LK C
 GPiL () s  (10) 
 () L T s 1 9.5
 d s s 1 C
 RL 9
 Theo [10-12], (10) có dạng hệ bậc 1 nên cấu trúc điều 8.5
 khiển PI được sử dụng để đảm bảo sai lệch tĩnh triệt tiêu 
 8
 với mô tả toán học như (11), đáp ứng quá độ của hệ kín sẽ 
 tốt nhất khi điểm không của bộ điều khiển gần như khử 7.5
 [m/s]
 được điểm cực của đối tượng điều khiển. 7
 Wind
 v
 KIiL 6.5
 GCiL() s K PiL (11) 
 s 6
 Chi tiết về các các vấn đề điều khiển SCESS trong hệ 5.5
 thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel có thể 
 5
 tìm thấy ở [8]. 0 10 20 30 40 50 60
 Thêi gian [s]
 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
 Hình 4. Profile gió sử dụng trong quá trình mô phỏng [13] 
 Nhóm tác giả sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink/ 
 SimPowerSystems để kiểm tra hiệu quả ổn định ngắn hạn Nhóm tác giả sử dụng profile gió như minh họa trên 
 công suất tác dụng đầu ra turbine PĐSG trong hệ thống hình 4 là dữ liệu thu được từ mô hình tạo gió ngẫu nhiên 
 điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel với cấu trúc được nghiên cứu và phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc 
 điều khiển đã đề xuất. Trước hết các quá trình động học gia về năng lượng tái tạo thuộc đại học kỹ thuật Đan mạch 
 của hệ RAPS nguồn phát hỗn hợp gió - diesel được khảo [13]. Kịch bản thay đổi tải như thể hiện trên hình 5 với tham 
 sát. Sau đó, RAPS được tích hợp SCESS để kiểm chứng khả số mô phỏng như thể hiện ở bảng 1. Hình 6 thể hiện kết 
 năng lọc các biến động công suất đầu ra hệ PĐSG. quả mô phỏng động học của hệ thống điện ốc đảo khi chỉ 
 có nguồn phát diesel. Khi có sự thay đổi tải làm cho trạng 
6 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 2 (4/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
thái cân bằng giữa nguồn phát và tiêu thụ tức thời bị thay Khi có sự tham gia của nguồn phát sức gió, công suất 
đổi dẫn tới tần số lưới bị biến động. Sau đó, bộ điều tốc sẽ tác dụng huy động từ nguồn phát diesel được giảm xuống 
tác động điều chỉnh công suất cơ cung cấp cho máy phát như thể hiện trên hình 7. Tuy nhiên, vấn đề ổn định tần số 
để đưa hệ thống trở lại trạng thái cân bằng, tần số lưới trở hệ thống lúc này lại không còn được đảm bảo: tần số lưới 
lại với giá trị định mức 50Hz. liên tục biến động ngay cả khi không có sự thay đổi tải. 
 Hiện tượng này xảy ra là do sự biến động liên tục của 
 nguồn phát sức gió gây ra sự mất cân bằng liên tục giữa 
 nguồn phát và phụ tải. 
 Nói cách khác, hệ thống luôn làm việc ở trạng thái 
 động, mất cân bằng ngắn hạn. Như vậy, chất lượng điện 
 năng không được đảm bảo, cần phải khắc phục hiện tượng 
 mất cân bằng ngắn hạn đó bằng giải pháp sử dụng thiết bị 
 kho điện sẽ được thể hiện ngay sau đây. 
 c«ng suÊt t¸c dông scess trao ®æi víi l­íi
 Pref
 5 ESS
 P
 ESS
 0
 [kW]
 Hình 5. Kịch bản thay đổi tải ESS
 P -5
 c«ng suÊt t¸c dông c¸c nguån ph¸t trong raps
 -10 
 0 10 20 30 40 50 60
 40 PLoad
 P diÔn biÕn n¨ng l­îng trªn siªu tô
 30 DG
 78
 20
 P [kW]
 10 77.5
 0 
 0 10 20 30 40 50 60 77
 tÇn sè l­íi ENERGY [%] 76.5
 52 0 10 20 30 40 50 60
 Thêi gian [s]
 50 
 [Hz] 48 §IÖN ¸P MéT CHIÒU TRUNG GIAN
 grid 710
 f 46
 705
 44
 0 10 20 30 40 50 60 [V] 
 700
 Thêi gian [s] 
 DC-link 695
 Hình 6. Động học của hệ RAPS chỉ có nguồn phát diesel u
 690
 0 10 20 30 40 50 60
 C¤NG SUÊT t¸c dông C¸C NGUåN PH¸T TRONG RAPS
 50 DßNG §IÖN PHãNG/N¹P SI£U Tô
 P
 Load 
 20
 45 P iref
 DG L
 P i
 40 WT 10 L
 [A]
 35 L 0
 i
 30 -10
 25 0 10 20 30 40 50 60
 Thêi gian [s]
 P [kW] 
 20
 THµNH PHÇN DßNG §IÖN THEO TRôC d
 15 
 iref
 10 d
 10 i
 d
 0
 5 [A]
 d
 i -10
 0 
 0 10 20 30 40 50 60
 -20
 Thêi gian [s] 
 0 10 20 30 40 50 60
 TÇN Sè L¦íI THµNH PHÇN DßNG §IÖN THEO TRôC q
 5 
 52 iref
 q
 i
 50 q
 48 0
 [A] 
 q
 f [Hz]
 46 i
 44
 0 10 20 30 40 50 60 -5 
 0 10 20 30 40 50 60
 SAI Sè T¦¥NG §èI CñA TÇN Sè L¦íI Thêi gian [s] 
 Hình 8. Một số quá trình động học của hệ SCESS 
 10
 Công suất tác dụng đầu ra WT sẽ được ổn định ngắn hạn 
 f [%] 5 (làm trơn) nếu các thành phần công suất biến động tần số 
 0 cao được hấp thụ bởi thiết bị kho điện. Thuật toán lọc 
 0 10 20 30 40 50 60 ∗
 Thêi gian [s] thông thấp cho tín hiệu  của quá trình điều khiển 
 
 Hình 7. Động học của hệ RAPS nguồn phát gió - diesel tuabin PĐSG để xác định lượng đặt công suất  mà hệ 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 2 (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 7
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 thống phải đáp ứng thông qua việc điều khiển các bộ biến 4. KẾT LUẬN 
 đổi công suất DC-DC và DC-AC. Cấu trúc điều khiển SCESS Thiết bị kho điện với cấu trúc điều khiển thích hợp và có 
 chứng tỏ khả năng bám chính xác. Hình 8 cho thấy các đáp hiệu quả đã đảm bảo khả năng ổn định ngắn hạn công suất 
 ứng động học của thiết bị kho điện SCESS tích hợp trong tác dụng đầu ra của hệ phát điện sức gió. Nhờ đó, hiệu quả 
 hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel. ổn định tần số lưới trong hệ thống điện hải đảo nguồn phát 
 Công suất tác dụng SCESS trao đổi với lưới được quy đổi hỗn hợp gió - diesel đã được chứng minh thông qua mô 
 thành giá trị dòng điện phóng nạp tụ đã bám chính xác phỏng. Một số kết quả được trình bày trong bài báo này có 
 theo giá trị đặt. Trong suốt quá trình trao đổi công suất, thể xem là tiền đề cho việc nghiên cứu tích hợp thiết bị kho 
 điện áp một chiều DC trung gian luôn được giữ ổn định ở điện vào một số hệ thống điện hải đảo nói riêng và vi lưới 
 giá trị định mức thể hiện đặc điểm ổn định động của quá cô lập nói chung phù hợp với điều kiện Việt Nam giúp đảm 
 trình trao đổi công suất hai chiều giữa SCESS với lưới. Bộ bảo chất lượng điện năng, độ tin cậy vận hành, giảm thiểu 
 điều khiển Dead-beat đã phát huy tác dụng cho phép áp sự tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. 
 đặt thành công lượng đặt cho các thành phần dòng điện: 
 ∗ LỜI CẢM ƠN 
 Thành phần dòng điện  tỷ lệ với công suất tác dụng cần 
 trao đổi; Thành phần dòng điện ngang trục được duy trì Nghiên cứu này được tài trợ bởi đề tài mã số T2016-PC-
 ∗
 lượng đặt  = 0 nghĩa là không trao đổi công suất phản 183 (Đại học Bách khoa Hà Nội). 
 kháng với lưới. 
 Mục tiêu điều khiển cấp bộ biến đổi (cấp điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 thiết bị) đối với cả hai bộ biến đổi DC-DC và DC-AC được [1]. A. P. Generation, 2012. Integrating renewables into remote or isolated 
 kiểm soát chính xác hoàn toàn là điều kiện đủ để có thể áp power networks and micro grids Innovative solutions to ensure power quality and 
 đặt đại lượng công suất tác dụng ở cấp điều khiển hệ grid stability. ABB. 
 thống (thuật toán xác định lượng đặt công suất) một cách [2]. T. IRENA, 2012. Electricity Storage and Renewables for Island Power - A 
 chủ động, chính xác như thể hiện trên hình 9. SCESS đã Guide for Decision Makers. International Renewable Energy Agency 
 tham gia tự động vào quá trình ổn định ngắn hạn công 
 suất đầu ra của tuabin PĐSG đem lại hiệu quả ổn định tần [3]. I.-T. E. E. S. P. Team, 2014. Electrical Energy Storage. The Fraunhofer 
 số lưới. Lưu ý rằng, SCESS không hỗ trợ những biến động Institut für Solare Energiesysteme. 
 tần số do thay đổi phụ tải đột ngột, những biến động đó [4]. N. Bizon, H. Shayeghi, and N. M. Tabatabaei, 2013. Analysis, Control and 
 thuộc về trách nhiệm của hệ thống điều khiển tần số sơ cấp Optimal Operations in Hybrid Power Systems: Advanced Techniques and 
 (Primary control) của hệ thống phát điện diesel. Applications for Linear and Nonlinear Systems: Springer-Verlag London. 
 C¤NG SUÊT t¸c dông C¸C NGUåN PH¸T TRONG RAPS [5]. J. K. Kaldellis, 2010. Stand-alone and hybrid wind energy systems. 
 50 
 P
 Load Woodhead Publishing Limited, 2010. 
 P
 40 DG
 P
 WT [6]. P. M. Pardalos, S. Rebennack, M. V. F. Pereira, N. A. Iliadis, and V. Pappu, 
 P
 ESS
 30 2013. Handbook of Wind Power Systems. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 
 PWT&ESS
 20 [7]. F. D. Bianchi, H. D. Battista, and R. J. Mantz, 2007. Wind Turbine Control 
 Systems: Principles, Modelling and Gain Scheduling Design. Springer-Verlag 
 P [kW] 10 London Limited. 
 0 [8]. P. T. Anh, 2015. Các phương pháp điều khiển thiết bị kho điện sử dụng 
 -10 trong hệ thống phát điện sức gió hoạt động ở chế độ ốc đảo. Luận án tiến sĩ Điều 
 khiển và tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội. 
 -20 
 0 10 20 30 40 50 60
 Thêi gian [s] [9]. N. Quang, and J. Dittrich, 2008. Vector control of three phase AC 
 TÇN Sè L¦íI machine– System Development in the Practice. Springer, Berlin - Heidelberg. 
 55 
 WT-DG
 ESS-WT-DG [10]. N. D. Phước, 2007. Lý thuyết điều khiển tuyến tính. NXB Khoa học và Kỹ thuật. 
 50
 [11]. M. S. FADALI, 2009. Digital control engineering: Analysis and Design. 
 45 Elsevier Inc ISBN 13: 978-0-12-374498-2. 
 Frequency [Hz]
 40 [12]. A. M. LEÓN, 2005, Advanced power electronic for wind power 
 0 10 20 30 40 50 60
 generation buffering. Doctor of Philosophy, University of Florida. 
 SAI Sè T¦¥NG §èI CñA TÇN Sè L¦íI
 3 
 WT-DG [13]. F. Iov, A. D. Hansen, P. Sørensen, and F. Blaabjerg, 2004. Wind Turbine 
 ESS-WT-DG
 2 Blockset in Matlab/Simulink. Institute of Energy Technology, Aalborg university. 
 1 
 Frequency [%]Frequency AUTHORS INFORMATION 
 0 
 0 10 20 30 40 50 60 1 2 
 Thêi gian [s] Nguyen Tung Lam , Pham Tuan Anh
 Hình 9. Tác dụng ổn định ngắn hạn và hiệu quả ổn định tần số lưới trong hệ 1Hanoi University of Science and Technology 
 RAPS nguồn phát hỗn hợp gió - diesel khi tích hợp thiết bị kho điện SCESS 2Vietnam Maritime University 
8 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 2 (4/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn