Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu

 qua cuộn dây L 
là hằng số, công suất qua cuộn dây L được 
viết lại như sau: 
DIUdtIU
T
P Li
DT
Liin 
0
1
 (2) 
2.1.2. Khi Switch ở trạng thái ngắt 
Ta thấy năng 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: 
dtIU
T
dtIU
T
P
DT
L
DT
LLout 
0
0
0
11
 (3) 
Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL 
là hằng số lúc đó công suất đầu ra được viết 
lại như sau: 
)1()(
1
00 DIUDTTIU
T
P LLout (4) 
Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như 
sau: 
D
D
U
U
i 1
0 (5) 
Điện áp sau khi qua bộ biến đổi 
công suất sẽ tăng lên, nhờ bộ điều khiển 
xung kích ta có thể điều chỉnh điện áp ra 
mong muốn bằng việc điều chỉnh D. 
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 
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, 
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. 
90 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 
Hình 7. Điều khiển mạch vòng trong 
của dòng điện 
Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp: 
0321 ttt uuu (6) 
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: 
NOt
Nt
Nt
uuu
uuu
uuu
303
0202
0101
 (7) 
Với 
3
302010
0
uuu
uN
 (8) 
Thay biểu thức (8) vào biểu thức (7) 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
 (9) 
Điện áp dây trên tải được tính như sau: 
Ot
t
t
uuu
uuu
uuu
13031
302023
201012
 (10) 
2.2.2. Tác hại của sóng hài bậc cao đến 
bộ nghịch lưu 
Biên độ sóng hài có thể xác định 
dựa theo khai triển chuỗi Fourier của điện 
áp ngõ ra như sau: 
).cos().sin(
11
xkbxkaUu
k
k
k
ktAVt 
 (11) 
2
0
).sin(
1
dxxkua tk 
Với: 
2
0
).cos(
1
dxxkub tk 
2
0
.
2
1
dxuU ttAV 
Biên độ sóng hài bậc k: Ak 
 2
1
22
kkk baA (12) 
Thông thường dạng áp của tải có tính chất 
của hàm lẽ, do đó: bk=0, Ak = ak. 
Biên độ sóng hài cơ bản Ut(1)m: 
2
0
1)1( .sin
1
dxxuAU tmt (13) 
Và biên độ sóng hài bậc k: 
2
0
)( )..sin(
1
dxxkuAU tkmkt (14) 
 2.2.3. 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: 
 qddddidpd Lieii
S
K
KV  
 ** (15) 
 dqqq
qi
qpq Lieii
S
K
KV  
 ** (16)
PI 
theo (U) 
PI 
theo (I) 
PI 
theo (I) 
SV 
PWM 
Hình 6. Điều khiển cho 2 mạch vòng dòng điện 
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 15 * 2017 91 
Hình 9. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 
3. Mô hình nguồn pin mặt trời và pin 
nhiên liệu 
3.1. Mô hình pin mặt trời (PV) 
* Theo quan điểm năng 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 8. 
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 [5], được 
tính như sau: 
sh
s
c
s
sph
R
IRV
AkT
IRVq
III 1
(
exp (17) 
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 tối của pin, Iph: là dòng 
quang điện, Tc: nhiệt độ của pin, Rsh: điện 
trở shunt, Rs : điện trở của pin, A: hệ số lý 
tưởng. Theo biểu thức (17) dòng quang 
điện phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và 
nhiệt độ của pin do đó: 
 HTTKII refcIscph .)( (18) 
Với: Isc: là dòng ngắn mạch, 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 tối của pin với nhiệt độ 
của pin được tính như sau: 
kATT
TTqE
T
T
II
cref
refcG
ref
c
RSs
(
exp)( 3 (19) 
Trong đó: 
IRS: là dòng điện ngược bão hòa tại 
nhiệt độ của pin, EG: năng lượng vùng cấm 
của chất bán dẫn. Mặt khác các pin năng 
lượng mặt trời phổ biến trên thị trường hiện 
nay trên cơ sở vật liệu silicon truyền thống 
thường có giá trị 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 10. 
Hình 8. Đặc tính làm việc của pin mặt trời 
Điện áp pin (V) 
C
ô
n
g
 s
u
ất
 p
in
 (
W
) 
D
ò
n
g
 đ
iệ
n
 p
in
 (
A
) 
Hình 10. Dòng điện 1 modul tấm pin 
NpIph 
NsRs/Rsh 
NsRs/Rsh 
Np 
Ns 
V 
+ 
- 
92 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 
Hình 12. Bám điểm công suất cực đại 
Vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là: 
sh
s
s
p
c
p
s
s
spphp
R
IR
N
VN
AkT
N
IR
N
V
q
ININI 1exp (20) 
Từ các biểu thức (17), (18), (19), (20) 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 11. 
* Phương pháp điều khiển bám 
điểm công suất cực đại (MPPT): hiện nay 
có nhiều kỹ thuật để điều khiển pin mặt trời 
bám điểm công suất cực đại. Những kỹ 
thuật này có thể phân thành 2 nhóm chính 
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 (MPP) trong 
khi đó sẽ hội tụ rất nhanh điểm MPP với kỹ 
thuật tìm kiếm dựa trên mô hình. Kỹ thuật 
này đồi hỏi phải biết chính xác thông số 
của pin mặt trời và các số đo cả nhiệt độ và 
bức xạ mặt trời, như hình 12. 
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 [6], mô hình pin nhiên 
liệu màng trao đổi proton – PEMFC 
(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 
được tính như sau: 
2
22
2
H
H
an
H
H
K
M
K
p
q
 (21) 
Và OH
OH
an
OH
OH
K
M
K
p
q
2
22
2 (22) 
Trong đó:
2H
q : dòng chảy đầu vào của 
hydro (kmol/s); 
2H
p : áp suất riêng phần 
Hình 11. Mô hình pin mặt trời 
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 15 * 2017 93 
của hydro (atm); Kan: hằng số van anốt 
  satmkgkmol ./. ; 
2H
M : khối lượng 
phân tử hydro (kg/kmol); 
2H
K : 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: 
 rHoutHinH
an
H qqq
V
RT
p
dt
d
2222
 (23) 
Trong đó T: nhiệt độ tuyệt đối (K); Van: thể 
tích anốt (m3); in
Hq 2 :dòng chảy đầu vào 
hydro (kmol/s); 
out
Hq 2 :dòng chảy đầu ra 
hydro (kmol/s); 
r
Hq 2 :dòng chảy hydro trong 
phản ứng (kmol/s). Biểu thức (23) 
r
Hq 2 được tính như sau: 
FCr
FCsr
H IK
F
INN
q 2
2
0
2
 (24) 
Với: N0: số lượng của pin nhiên liệu trong 
ngăn xếp; NS: số ngăn 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 (21),(24) ta biến đổi Laplace, 
áp suất hydro được viết lại như sau: 
 FCrinH
H
H
H IKq
S
K
p 2
1
1
2
2
2
2

 (25) 
Với: 
2H
 : hằng số thời gian của hydro (s) 
và
RTK
V
H
an
H
2
2
  (26) 
Điện áp của hệ thống pin nhiên liệu được 
tính như sau: Vcell=E+ηact+ηohmic (27) 
ở đây: )ln( FCact CIB  (28) 
và FCohmic IR
int  (29) 
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 [7], điện áp tức thời được 
xác định như sau: 
OH
OH
oo
P
Pp
F
RT
ENE
2
22log
2
 (30) 
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 
[8], lượng khí hydro có sẵn từ thùng chứa 
hydro được tính như sau: 
FU
INN
q FCsreqH
2
0
2
 (31) 
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.
94 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 
Hình 13. Mô hình pin nhiên liệu 
Hình 19. Sóng hài dòng điện 
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
-500
0
500
Selected signal: 2.5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
Time (s)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 52 , THD= 1.30%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
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. 
4.2. Kết quả mô phỏng trên matlab - simulink 
Hình 20. Công suất của pin mặt trời (W) 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
50
100
150
200
250
300
350
Hình 16. Điện áp và dòng điện pin mặt trời 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
10
20
30
40
50
Dòng điện (A) 
Điện áp (V) 
Hình 14. Sơ đồ nối lưới cho nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu sử dụng các bộ biến đổi điện 
tử công suất 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-500
0
500
Hình 15. Điện áp ra bộ nghịch lưu (V) 
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 15 * 2017 95 
Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng, ở 
thời điểm t ≤ 0.02s, hệ thống làm việc 
không tải, tại thời điểm t > 0.02s, hệ thống 
điều khiển nối lưới bắt đầu phát công suất. 
Lúc này bức xạ mặt trời thay đổi thì dòng 
PV thay đổi mạnh, áp PV ít thay đổi và 
công suất của PV phụ thuộc ảnh hưởng của 
bức xạ. Tại thời điểm t = 0.08s thì giá trị 
dòng điện, điện áp và công suất đầu ra luôn 
bằng giá trị đặt, hệ thống làm việc ở trạng 
thái ổn định. 
5. Kết luận 
Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử 
công suất trong điều khiển nối lưới cho 
nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu, 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. Điều khiển nối lưới cho 
nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu 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 năng lượng tái tạo 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] M. Uzunoglu, O.C. Onar, M.S. Alam (2009), “Modeling, control and simulation of a 
PV/FC/UC based hybrid power generation system for stand-alone applications”, 
Hình 22. Dòng điện ngõ ra Iabc (A) 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-60
-40
-20
0
20
40
Hình 18. Điện áp ngõ ra Uabc (V) 
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
Hình 17. Điện áp và dòng điện pin nhiên liệu 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
10
20
30
40
50
60
Điện áp (V) 
Dòng điện (A) 
Hình 21. Công suất pin nhiên liệu (W) 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x 10
4
Đóng tải 
nối lưới 
Hình 23. Điện áp nối lưới Uabc (V) Hình 24. Dòng điện nối lưới Iabc (A) 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
x 10
4
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
96 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 
Renewable Energy 34,509–520. 
[2] Bengt Johansson (2003), “Improved Models for DC-DC Converters”, Department of 
Industrial Electrical Engineering and Automation Lund University. 
[3] Nguyễn Văn 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 khiển nối 
lưới các nguồn phân tán,” Tạp chí khoa học, Trường Đại học Cần Thơ, số (28), 1-8. 
[5] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc Huy (2012), “Mô hình điều khiển nối lưới 
cho nguồn điện mặt trời” Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại Học Đà Nẵng, Số 
11(60), 1-6. 
[6] 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. 
[7] M. Hashem Nehrir,Caisheng Wang（2009）， “Modeling and control of fuel cells”, 
Books in the IEEE press series on power engineering. 
[8] M.Y. El-Sharkh, A. Rahman, M.S. Alam, P.C. Byrne, A. Sakla, T. Thomas (2004), 
“Adynamic model for a stand-alonePEM fuel cell power plant for residential 
applications”, Journal of Power Sources 138, 199 – 204. 
Abstract 
Applying of power electronic converters in grid-connected control of solar cell and 
fuel cell sources 
The research on using and exploiting effectively solar cell and fuel cell sources to 
generate electricity is significant in reducing the climate changes as well as the dependence 
of power demand on fossil energy sources which are at risk both in running up and causing 
environmental pollution. Using power electronic converters 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 filter circuits to 
suppress high order harmonics on the grid will also have significant effect on power quality 
improvement. The article presents simulation results of the grid-connected control model of 
an integrated solar cell and fuel cell power system using power electronic converters, 
which maintains maximum capacity of the systems regardless of the connected power loads. 
Key words: power electronic converter; grid-connected control; renewable energy; 
small power sources; distributed sources