Điều khiển hệ thống tua-bin gió công suất nhỏ máy phát pmsg trong trường hợp méo dạng điện áp lưới

ha hai chân có điều khiển (bộ nghịch lưu 
phía máy phát), trong đó pha C được nối 
với điểm giữa của hai tụ DC liên kết. Bộ 
chuyển đổi công suất một pha có dạng bán 
cầu có điều khiển được kết nối với lưới 
một pha [11]. Lưu ý rằng, công suất tác 
dụng được sản xuất ra từ máy phát phải 
bằng với công suất được cung cấp cho lưới 
điện với tổn thất bị bỏ qua. Nếu không, 
điện áp tụ DC liên kết sẽ thay đổi nhanh 
chóng. Do đó, phương pháp MPPT (tìm 
điểm phát công suất cực đại) cho tua-bin 
gió PMSG (máy phát đồng bộ nam châm 
vĩnh cửu) có thể đạt được bằng cách điều 
khiển công suất tác dụng cực đại cấp cho 
lưới điện. 
N
S
Gió
PMSG
L
C Vs
gL f
f
Hình 1. Sơ đồ hệ thống tua-bin gió dùng 
PMSG kết nối với lưới 
3. Điều khiển bộ chuyển đổi công 
suất phía máy phát 
Công suất cơ tạo ra bởi tua-bin gió thể 
hiện như sau [12]: 
 2 30,5 ( )t p wP R C v  (2) 
Trong đó: là mật độ không khí 
[kg/m3], R là bán kính của cánh quạt [m], 
vw là tốc độ gió [m/s] và Cp() là hệ số 
chuyển đổi công suất mà là hàm của tỉ số 
đầu cánh quạt (=rR/ vw). 
Theo phương pháp tối ưu hóa công 
suất, hệ số chuyển đổi công suất tiến đến 
giá trị cực đại (Cpmax) khi tỉ lệ tốc độ đầu 
cánh đạt tối ưu (λopt). Để đạt được công 
suất cực đại, tốc độ tua-bin nên được thay 
đổi theo tốc độ gió để duy trì tỉ lệ tốc độ 
đầu cánh tối ưu. Từ đó, công suất cực đại 
(Pmax) được tính như sau [12]: 
3
max opt rP K   (3) 
Trong đó: 
5
max 3
0,5opt p
opt
R
K C 

 (4) 
Công suất máy phát được tính như sau: 
 1,5( )gen de de qe qeP V I V I (5) 
N
S
Gió
a
b
c
PWM
r
r
rje
 
qseI
*
qseI
dseI
* 0 dseI
i
p
k
k
s
*
r
i
p
k
k
s
i
p
k
k
s
*
qseV
*
dseV
*
aV
*
bV
*
cV
rje

maxP

P
+
-
+
-
1dcV
r
ia
ib
ic
+
-
+
-
PMSG
2dcV
+
-
Hình 2. Sơ đồ khối điều khiển bộ chuyển 
đổi công suất phía máy phát 
Trong đó: Vde, Vqe và Ide, Iqe lần lượt là 
điện áp và dòng điện máy phát PMSG theo 
phương d và q trong hệ tọa độ quay. 
Công suất máy phát cực đại được tính: 
 max genP P (6) 
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 71 (05/2020) 
54 
Tốc độ rotor tham chiếu đạt được như 
sau: 
*
3 
gen
r
opt
P
K
 (7) 
Hình 2 mô tả sơ đồ khối điều khiển bộ 
chuyển đổi công suất phía máy phát, trong 
đó bộ điều khiển tốc độ rotor bên ngoài và 
bộ điều khiển dòng điện bên trong. Ngõ ra 
của bộ điều khiển dòng điện là điện áp 
tham chiếu ( *
qseV ,
*
dseV ). Điện áp tham chiếu 
này được sử dụng để điều chế độ rộng 
xung PWM [12]. 
4. Điều khiển bộ chuyển đổi công 
suất phía lưới (GSC) khi méo dạng điện 
áp lưới 
4.1. Phân tách điện áp và dòng điện 
lưới dùng bộ quan sát tổng hợp (CO) 
Bộ CO được dùng để phân tách các 
thành phần điện áp và dòng điện [4]-[5]. 
Nguyên tắc của bộ CO được tóm tắt như 
sau: 
Giả thiết rằng tín hiệu tuần hoàn của 
y(t) bao gồm thành phần như tín hiệu DC 
(y0(t)), thành phần cơ bản (y1(t)) và các 
thành phần họa tần (y3(t), y5(t), y7(t)), 
tương ứng, được thể hiện như sau: 
0,1,3,5,7
( ) ( )m
m
y t y t
 
 (8) 
Tín hiệu đầu vào được viết trong miền 
rời rạc: 
0,1,3,5,7
( ) ( ); 0,1,2, ,m
m
y i y i i
  (9) 
Hình 3. Vòng lặp kín dùng bộ CO 
Cấu trúc bộ CO được thể hiện trong 
hình 3 như sau: 
ˆ ˆ( 1) ( ) ( )
ˆ ˆ( ) ( )
x i Ax i De i
y i Cx i
 (10) 
Trong đó: chỉ số “^” chỉ giá trị ước 
tính, x(i) là vector trạng thái, y(i) là vector 
đầu ra, A và C là ma trận của bộ quan sát 
và D là vector độ lợi, có dạng như sau: 
0 11 12 31 32 51 52
71 72 111 112 131 132
[ , ( , ), ( , ), ( , ),
( , ), ( , ), ( , )]T
D d d d d d d d
d d d d d d
 (11) 
và e(i) là sai số của bộ quan sát được 
tính bởi công thức sau: ˆ( ) ( ) ( )e i y i y i 
Trong nghiên cứu này, các thành phần 
DC, cơ bản và họa tần bậc 3, 5, 7 của điện 
áp và dòng điện lưới được sử dụng làm 
biến trạng thái trong các mô hình bộ CO. 
Một kĩ thuật thay thế cực được dùng để 
chọn vector độ lợi của bộ CO [4]. 
VĂN TẤN LƯỢNG và cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 
55 
4.2. Chiến lược điều khiển dòng điện lưới 
XX
Bộ quan sát 
tổng hợp
Bộ quan sát 
tổng hợp
X
X
PR1 
PR3 
PR5 
PWM
+
+
+
-
-
-
X
+
X
+
X
+
X +
-
PRr BPF 
(fr)
PI X +
-
+
-
+
-
Nguồn
XPR7 +
-
X
+
sin(x) PLL
X +
++
+
is
7th
is
5th
is
3rd
is
1st
vs
1st
vs
3rd
vs
5th
vs
7th
vs
is
is
1st
is
1st* Iamp
*
Vdc
Vdc
*
vs
1stθe
is
 3rd*
is
3rd
is
 5th*
= 0
is
 7th*
= 0
is
5th
is
7th
isr
is
 r*
= 0vs
r
vs
7th
vs
5th
vs
3rd
V
3
*
V
1
*
vs
1st
V
5
*
V
7
*
V *
Vdc1
Vdc2
Lf Lg
Cf is
vs
isr
Hình 4. Sơ đồ khối điều khiển của bộ GSC 
Hình 4 thể hiện sơ đồ khối điều khiển 
của bộ chuyển đổi PWM một pha (GSC). 
Mục đích của bộ GSC là phải cung cấp 
công suất tác dụng cho lưới từ tua-bin với 
dòng điện lưới hoàn toàn sin ngay cả ở 
điều kiện méo dạng điện áp lưới. Do đó, 
các thành phần cơ bản và họa tần của điện 
áp và dòng điện 1 3 5 7, , ,st rd th ths s s sv v v v và 
1 3 5 7, , ,st rd th ths s s si i i i lần lượt được tách ra bằng 
cách dùng bộ CO. Thành phần cơ bản của 
điện áp được sử dụng cho thuật toán PLL 
để xác định góc pha e [13]. Biên độ của 
dòng điện lưới ( *ampI ) được xác định bởi 
ngõ ra của bộ điều khiển điện áp DC. 
Dòng điện lưới tham chiếu ( 1 *stsi ) được 
xác định bởi 
1 * * sin( )sts amp ei I  (12) 
Thành phần dòng điện lưới cộng 
hưởng được trích xuất ra bởi bộ lọc thông 
dải (BPF). Bộ điều khiển cộng hưởng - tỉ lệ 
(PR) ứng với các tần số góc 3e, 5e, 7e 
được áp dụng cho điều khiển dòng điện 
lưới, trong đó các thành phần họa tần bậc 
3, 5, 7 và thành phần cộng hưởng của dòng 
điện lưới được điều khiển bằng không. 
5. Mô phỏng 
Mô phỏng PSIM cho hệ thống tua-bin 
gió PMSG 2,68 kW đã được thực hiện để 
kiểm chứng tính hợp lí của chiến lược điều 
khiển được đề xuất. Các thông số hệ thống 
được liệt kê trong Bảng 1. 
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 71 (05/2020) 
56 
Bảng 1. Thông số hệ thống 
Máy phát 
PMSG 
2,68 kW, 110 V, 6 cực 
Rs=0,49 Ω, Ls=5,35 mH, 
J=0,00331 kg.m2 
Bộ chuyển đổi 
công suất phía 
lưới 
110 V, 60 Hz, 540 VDC 
Lg=0,3 mH, Lf=3 mH, 
Cf=4,75 µF, 
Tần số đóng cắt 10 kHz 
Các vector độ lợi của (11) được thiết 
kế như sau: 
[0,15841371, (0,23520296, -0,2368942157),
(0,116151146, -0,115147), (0,0961, -0,92542),
(0,0811463, -0,05812), (0,04125, -0,0264),
(0,01691, -0,005771)] T
D 
Hình 5 thể hiện vận hành điều khiển 
của dòng điện lưới trong trường hợp méo 
dạng điện áp lưới, trong đó điện áp lưới lần 
lượt chứa 10%, 8% và 6% của các thành 
phần họa tần bậc 3, 5 và 7. Thành phần cơ 
bản của dòng điện lưới và của dòng điện 
tham chiếu được thể hiện trong Hình 5(a), 
trong đó thành phần cơ bản của dòng điện 
lưới đo được bám sát dòng tham chiếu. Nói 
cách khác, dòng điện lưới được điều khiển 
gần như hình sin. Các thành phần họa tần 
bậc cao của dòng điện lưới đã được thể 
hiện như trong Hình 5(b) và các phổ của 
họa tần bậc cao được thể hiện như Hình 
5(d). Trong trường hợp này, điện áp tụ DC 
vẫn được điều khiển tốt, với sai số nhỏ hơn 
1% (Hình 5(e)). 
Để điều khiển bộ GSC, bộ CO được sử 
dụng để tách các thành phần cơ bản và họa 
tần bậc cao của điện áp và dòng điện lưới 
và PLL được sử dụng. Các kết quả mô 
phỏng thể hiện vận hành bộ GSC được thể 
hiện trong các Hình 6 và 7. 
Hình 6 (a) hiển thị điện áp lưới bị méo 
dạng. Như được thấy trong Hình 6(a), điện 
áp quan sát ( ,s obs
v
) từ việc dùng bộ CO 
bám sát tốt điện áp lưới ( sv ). Điều này thể 
hiện bộ CO đã phân tách chính xác của 
các thành phần cơ bản và họa tần bậc cao. 
Cụ thể là, thành phần cơ bản của điện áp 
lưới được phân tách như trong Hình 6(b) 
có dạng hoàn toàn hình sin. Hình 6(c) và 
(d) thể hiện kết quả mô phỏng về phổ của 
các thành phần cơ bản và họa tần bậc cao 
của điện áp lưới trong Hình 8(a) tương 
ứng. Tương tự như điện áp lưới, dòng 
điện lưới quan sát (Hình 8(e)) cũng được 
phân tách tốt bởi việc sử dụng bộ CO, 
trong đó thành phần cơ bản và các thành 
phần họa tần bậc cao của dòng điện lưới 
lần lượt được phân tách như trong Hình 
5(a) và Hình 5(b) như đề cập ở trên. Lưu 
ý rằng các thành phần cơ bản và họa tần 
bậc cao của điện áp và dòng điện lưới 
được phân tách bởi các bộ CO để sử dụng 
cho các bộ điều khiển như được mô tả 
trong Hình 4. 
Hình 7 thể hiện kết quả vận hành vòng 
khóa pha khi có méo dạng và sụt áp lưới. 
Như được thể hiện ở Hình 7(a), điện áp 
lưới có chứa các họa tần bậc cao và sau 
khoảng thời gian 2s điện áp lưới giảm đi 
10%. Nhờ việc sử dụng bộ CO, thành phần 
cơ bản của điện áp lưới được phân tách 
như Hình 7(b). Từ thành phần cơ bản này, 
vòng lặp khóa pha được áp dụng để đạt 
được góc pha như Hình 7(c). Để thấy rõ 
vận hành của PLL trước và sau khi giảm 
điện áp lưới, điện áp lưới, thành phần cơ 
bản của điện áp lưới và góc pha từ Hình 
7(a) đến 7(c) lần lượt được ghi nhận lại 
trong 6 chu kì, như được minh họa từ Hình 
7(d) đến 7(f). Như được thể hiện trong 
Hình 7, vận hành của vòng lặp khóa pha 
được thỏa mãn, thậm chí khi có méo dạng 
và giảm điện áp lưới 
VĂN TẤN LƯỢNG và cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 
57 
Hình 5. Kết quả vận hành bộ điều khiển dòng điện lưới khi méo dạng điện áp lưới 
Hình 6. Kết quả vận hành bộ GSC khi méo dạng điện áp lưới 
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 71 (05/2020) 
58 
Đ
iệ
n
 á
p
 l
ư
ớ
i 
(V
)
(a)
Méo dạng Méo dạng và sụt áp
Time (s)
Time (s)
T
h
àn
h
 p
h
ần
 c
ơ
 b
ản
 c
ủ
a 
đ
iệ
n
 á
p
 l
ư
ớ
i 
(V
)
(b)
Time (s)
G
ó
c
 p
h
a 
(r
a
d
)
(c)
Đ
iệ
n
 á
p
 l
ư
ớ
i 
(V
)
(d)
Time (s)
Time (s)T
h
àn
h
 p
h
ần
 c
ơ
 b
ản
 c
ủ
a 
đ
iệ
n
 á
p
 l
ư
ớ
i 
(V
)
(e)
G
ó
c
 p
h
a 
(r
a
d
)
(f)
Time (s) 
Hình 7. Kết quả vận hành vòng khóa pha (PLL) khi có méo dạng và sụt áp lưới 
Hình 8 thể hiện kết quả vận hành hệ 
thống khi tốc độ gió thay đổi dạng bậc 
thang. Do tốc độ gió tăng từ 10 m/s đến 13 
m/s và giảm từ 13 m/s xuống 10 m/s như 
Hình 11(a) nên dạng sóng tốc độ máy phát 
như Hình 8(b) cũng có dạng giống như tốc 
độ gió. 
Theo phương pháp tối ưu hóa công 
suất trong MPPT, hệ số chuyển đổi công 
suất được giữ ở giá trị 0,4 trong trạng thái 
xác lập như Hình 8(c). Điện áp tụ DC đo 
được vẫn bám sát giá trị điện áp DC tham 
chiếu (540V) cả trong trạng thái quá độ lẫn 
trạng thái xác lập, như Hình 8(d). Khi tốc 
độ gió thay đổi, dòng điện cung cấp cho 
lưới và công suất máy phát cũng thay đổi, 
lần lượt được minh họa như trong Hình 
8(e) và Hình 8(f). 
VĂN TẤN LƯỢNG và cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 
59 
T
ố
c 
đ
ộ
 g
ió
 (
m
/s
)
(a)
Time (s)
T
ố
c 
đ
ộ
 m
áy
 p
h
át
 (
rp
m
)
(b)
Time (s)
H
ệ 
số
 c
h
u
y
ển
 đ
ổ
i 
cô
n
g
 s
u
ất
(c)
Time (s)
Đ
iệ
n
 á
p
 t
ụ
 D
C
 (
V
)
(d)
Time (s)
D
ò
n
g
 đ
iệ
n
 l
ư
ớ
i 
(A
)
(e)
Time (s)
C
ô
n
g
 s
u
ất
 l
ư
ớ
i 
(W
)
(f)
Time (s) 
Hình 8. Kết quả vận hành hệ thống khi tốc độ gió thay đổi dạng bậc thang 
6. Kết luận 
Chiến lược điều khiển mới cho bộ 
chuyển đổi công suất một pha phía lưới với 
bộ lọc LCL kết nối tua-bin gió PMSG nhỏ 
với lưới điện đã được trình bày trong 
nghiên cứu này. Theo đó, vận hành kết nối 
lưới được cải thiện trong các điều kiện điện 
áp lưới bị méo dạng và dòng điện lưới 
được điều khiển gần như hình sin. Để thực 
hiện điều này, các bộ điều khiển PR được 
dùng để triệt tiêu các thành phần họa tần 
bậc 3, 5 và 7 của dòng điện lưới mà được 
phân tách một cách chính xác thông qua 
các bộ quan sát tổng hợp. Hiệu quả của 
phương pháp theo đề xuất đã được kiểm 
chứng bằng các kết quả mô phỏng. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Katsumi Nishida, Tarek Ahmed, Mutsuo Nakaoka, “A cost-effective high-efficiency 
power conditioner with simple MPPT control algorithm for wind-power grid 
integration”, IEEE Transactions on Industry Application, 47(2), 893-900, 2011. 
[2] Joerg Dannehl, ChristianWessels, and Friedrich Wilhelm Fuchs, “Limitations of 
voltage-oriented PI current control of grid-connected PWM rectifiers with LCL 
filters”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 56(2), 380-388, 2009. 
[3] Yasser Abdel-Rady Ibrahim Mohamed, “Mitigation of dynamic, unbalanced, and 
harmonic voltage disturbances using grid-connected inverters with LCL filter”, IEEE 
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 71 (05/2020) 
60 
Transactions on Industrial Electronics, 58(9), 3914-3924, 2011. 
[4] Kamakshy Selvajyothi and Panappakkam Janakiraman, “Reduction of voltage 
harmonics in single phase inverters using composite observers”, IEEE Transactions 
on Power Delivery, 25(2), 1045-1057, 2010. 
[5] Thanh Hai Nguyen, Dong-Choon Lee, and Suk-Gyu Lee, “Sinusoidal current control 
of single-phase PWM converters under voltage source distortion using composite 
observer”, Transaction of Korean Institution of Power Electronics (KIPE), 16(5), 
466-476, 2010. 
[6] Carlos Lumbreras, Juan Manuel Guerreo, Pablo Garcia, Fernando Briz, David Diaz 
Reigoza, “Control of a small wind turbine in the high wind speed region”, IEEE 
Transactions on Power Electronics, 31(10), 6980–6990,2016. 
[7] Lenos Hadjidemetriou, Elias Kyriakides, Yongheng Yang, Frede Blaabjerg, “A 
synchronization method for single-phase grid-tied inverters”, IEEE Transactions on 
Power Electronics, 31(3), 2139–2149, 2016. 
[8] Lenos Hadjidemetriou, Yongheng Yang, Elias Kyriakides, Frede Blaabjerg, “A 
synchronization scheme for single-phase grid-tied inverters under harmonic 
distortion and grid disturbances”, IEEE Transactions on Power Electronics, 32(4), 
2784–2793, 2016. 
[9] Quoc-Nam Trinh and Hong-Hee Lee, “Advanced Repetitive Controller to Improve 
the Voltage Characteristics of Distributed Generation with Nonlinear Loads”, 
Journal of Power Electronics, 13(3), 409–418, 2013. 
[10] Radu Iustin Bojoi, Leonardo Rodrigues Limongi, Daniel Roiu, Alberto Tenconi, 
“Enhanced power quality control strategy for single-phase inverters in distributed 
generation systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, 26(3), 798–
806,2011. 
[11] Thanh Hai Nguyen, Suk-Ho Jang, Hong-Geuk Park, Dong-Choon Lee, “Sensorless 
control of PM synchronous generators for micro wind turbines,” 2008 IEEE 2nd 
International Power and Energy Conference, 936-941, 2008. 
[12] Dong-Choon Lee and Young-Sin Kim, “Control of single-phase-to-three-phase 
AC/DC/AC PWM converters for induction motor drives”, IEEE Transactions on 
Industrial Electronics, 54(2), 797-804, 2007. 
[13] Timothy Thacker, Dushan Boroyevich, Rolando Burgos, Fei Wang, “Phase-locked 
loop noise reduction via phase detector implementation for single-phase systems”, 
IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58(6), 2482-2490, 2011. 
Ngày nhận bài: 18/8/2019 Biên tập xong: 15/5/2020 Duyệt đăng: 20/5/2020