Điều khiển các nguồn phân tán theo cấu trúc phân tầng

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
55
ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN PHÂN TÁN 
THEO CẤU TRÚC PHÂN TẦNG 
HIERARCHICAL CONTROL STRUCTURE 
IN CONTROLLING DISTRIBUTED GENERATIONS 
Lê Kim Anh 
Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa 
Tóm tắt: 
Nghiên cứu sử dụng các nguồn phân tán (Distributed generations, DG) để phát điện có ý nghĩa 
thiết thực đến việc giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Mặc dù sử dụng các DG 
có thể giảm sự phụ thuộc vào các nhà máy điện truyền thống, tuy nhiên việc kết hợp chúng vào hệ 
thống cung cấp điện là một vấn đề lớn. Vì khi kết hợp các DG vào lưới điện thường xuất hiện các 
dao động về điện áp và tần số. Sử dụng cấu trúc phân tầng để điều khiển các DG với ưu điểm là 
tần số, biên độ và độ lệch điện áp luôn đạt giá trị ổn định. Ngoài ra giảm được các sóng hài bậc 
cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra được kết 
quả mô phỏng điều khiển các DG theo cấu trúc phân tầng sử dụng phương pháp điều khiển theo 
độ trượt (Droop control method, DCM) nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp 
tải nối với hệ thống. 
Từ khóa: 
Cấu trúc phân tầng, phương pháp điều khiển theo độ trượt, năng lượng tái tạo, nguồn công suất 
nhỏ, nguồn phân tán. 
Abstract: 
The research of using distributed generations(DGs) to generate electricity is meaningful in terms of 
lessening the dependence on fossil energy sources. Although the power dependence on 
conventional power plants could be reduced because of DGs penetration, the integration of these 
sources into electric power distribution networks is still a big issue. This is because of voltage and 
frequency fluctuations. The use of hierarchical control structure in controlling DGs has the 
advantage of stable operating frequency, voltage magnitude and voltage deviation. Besides, the 
elimination of high order harmonics will also have a significant effect on power quality 
improvement. This article provides simulation results of applying hierarchical structure in 
controlling DGs using droop control method (DCM) in order to maintain maximum generating 
capacity of the system, irrespective of connected loads. 
Keywords:1 
Hierarchical structure, droop control method, renewable energy, small power sources, distributed 
generation. 
1 Ngày nhận bài: 12/12/2014; Ngày chấp nhận: 12/01/2015; Phản biện: PGS.TS Bạch Quốc Khánh. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
56
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Dựa theo [1], [2], [3], [4] nguồn năng 
lượng tái tạo (Renewable Energy 
sources, RES) nói chung, nguồn phân tán 
(Distributed generation, DG) nói riêng 
như: nguồn năng lượng gió, pin mặt trời, 
pin nhiên liệu... là dạng nguồn năng 
lượng sạch, không gây ô nhiễm môi 
trường, đồng thời tiềm năng về trữ lượng 
của các nguồn phân tán ở nước ta rất lớn. 
Tuy nhiên, để khai thác và sử dụng các 
nguồn phân tán này sao cho hiệu quả, 
giảm phát thải các chất gây ô nhiễm môi 
trường, như nitrogen oxit (NOx), sunfua 
oxit (SOx), và đặc biệt là carbon dioxit 
(CO2) đang là mục tiêu nghiên cứu của 
các nhà quản lý. Hiện nay có nhiều tác 
giả đưa ra các chiến thuật điều khiển như 
điều khiển dòng điện theo công suất hoặc 
điều khiển điện áp theo công suất, thông 
qua các bộ biến đổi điện tử công suất, 
như DC/DC hoặc DC/AC nhưng bị ảnh 
hưởng của sóng hài, dao động điện áp và 
dao động tần số. Bài viết này tác giả đề 
xuất điều khiển phân tầng, bao gồm 3 
tầng điều khiển: Tầng điều khiển thứ 1, 
dùng để điều khiển giữa tải với bộ nghịch 
lưu, sử dụng phương pháp điều khiển 
theo độ trượt (độ dốc). Tầng điều khiển 
thứ 2, dùng để đồng bộ với lưới và đưa 
tín hiệu độ lệch tần số (δω), độ lệch điện 
áp (δE) đến tầng điều khiển thứ 1. Tầng 
điều khiển thứ 3, dùng để trao đổi giữa 
công suất của các nguồn phân tán với 
công suất của lưới, đồng thời đưa tín hiệu 
biên độ tần số (ωref) và biên độ điện áp 
(Eref) đến tầng điều khiển thứ 2. Điều 
khiển các nguồn phân tán theo cấu trúc 
phân tầng nhằm hướng đến phát triển 
lưới điện thông minh và điều khiển nối 
lưới linh hoạt. 
2. CÁC NGUỒN PHÂN TÁN 
2.1. Mô hình tuabin gió 
Theo [5] công suất của tuabin gió được 
tính theo biểu thức: 
3
pm
2
v
A
)B,(CP
 (1) 
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 (1) ta thấy vận tốc gió là 
yếu tố quan trọng nhất của công suất; 
công suất đầu ra tăng theo lũy thừa 3 vận 
tốc. Hệ số biến đổi năng lượng Cp(λ, β) 
của biểu thức (1) theo [6] được tính như 
sau: 



 0.0068)50.4
116
(0.5176
),(
i
21
i
P
e
C
 (2) 
với 
3
i 1
0.035
0.08
11
 
 (3) 
Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa 
Cp và λ, như hình 1. 
 Hình 1. Đường cong mối quan hệ 
giữa Cp và λ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
57
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. Mômen 
của tuabin gió được tính như sau: 
3
3
5m
m
2
1


 p
CR
P
T (4) 
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 giữa Pm và tốc độ 
gió, như hình 2. Từ các biểu thức (1), (2), 
(3), (4) 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 3. 
2.2. Máy phát điện đồng bộ nam 
châm vĩnh cửu (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 4. Theo [7] phương trình 
dòng điện và điện áp của PMSG biểu 
diển trên hệ tọa độ dq như sau: 
sd
sd
sq
sd
sq
ssd
sd
sd 11 u
L
i
L
L
i
Tdt
di
  
 (5) 
sq
p
ssq
sq
sqsd
sq
sd
s
sq 11L
L
u
L
i
T
i
Ldt
di
sq

 
 (6) 
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: hằng số thời gian Stator tại vị trí 
đỉnh cực. Phương trình mômen tính như 
sau: 
 )LL(iiiPm c sqsdsqsdsqpM
2
3
  
(7) 
Hình 2. Đường cong mối quan hệ 
giữa Pm và tốc độ gió 
Đường 
 tối ưu 
Hình 3. Mô hình tuabin gió 
UA 
UB UC 
Tọa độ α 
Tọa độ β 
Tọa độ d 
Tọa độ q 
θ 
ωs 
Hình 4. Hệ trục tọa độ αβ và dq 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
58
Để xây dựng mô hình PMSG trên matlab 
/ simulink dựa vào biểu thức (5), (6), (7). 
 Hình 5. Mô hình máy phát điện PMSG 
băng thông BW = 164,28MHz (S11<-10dB) 
2.3. Mô hình pin mặt trời 
Dòng điện đầu ra của pin theo [8] được 
tính như sau: 
sh
s
c
s
sph 1
R
IRV
AKT
IRV(q
expIII
 (8) 
Trong đó: q: điện tích electron 
=1.6 x10-19 C, k: hằng số Boltzmann’ 
s = 1.38 x10-23 J/K, Is: dòng điện bão hòa 
của pin, Iph: 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 (8) dòng quang điện phụ 
thuộc vào năng lượng mặt trời và nhiệt 
độ làm việc của pin do đó: 
  H.)TT(KII refcIscph (9) 
với: Isc: dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 25
oC, 
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: 
kATT
TTqE
T
T
II
cref
refcG3
ref
c
RSs
(
exp)(
 (10) 
Trong đó: IRS: dòng bão hòa ngược ở bề 
mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời, 
EG: năng 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 0.6 V, 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 6. 
Vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là: 
sh
s
s
p
c
p
s
s
spphp 1
R
IR
N
VN
AkT
N
IR
N
V
q
expININI 
 (11) 
Từ các biểu thức (8), (9), (10), (11) 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 7. 
Hình 6. Dòng điện 1 modul tấm pin 
NpIph 
NsRs/Rsh 
NsRs/Rsh 
Np 
Ns 
V 
+ 
- 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
59
2.4. Mô hình pin nhiên liệu 
Dựa vào mối quan hệ giữa điện áp đầu 
ra và áp suất riêng phần của hydro, oxi 
và nước theo [9] 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
 (12) 
Và 0H
0H
an
0H
0H
2
22
2 K
M
K
p
q
 (13) 
Trong đó: 
2H
q : dòng chảy đầu vào của 
hydro (kmol/s); 
2H
p : áp suất riêng phần 
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. 
Hình 7. Mô hình pin mặt trời 
Hình 8. Mô hình pin nhiên liệu 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
60
Mối quan hệ giữa các yếu tố này có thể 
được biểu diễn như sau: 
)qqq(
V
RT
p
dt
d r
H
out
H
in
H
an
H 2222
 (14) 
Trong đó T: nhiệt độ tuyệt đối (K); 
Van: thể tích anốt (m
3); inH2q : dòng chảy 
đầu vào hydro (kmol/s); outH2q : dòng chảy 
đầu ra hydro (kmol/s); rH2q :dòng chảy 
hydro trong phản ứng (kmol/s). Biểu 
thức (14) rH2q được tính như sau: 
FCr
FCsor
H 2
22
IK
F
INN
q (15) 
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 (12),(15) ta biến 
đổi Laplace, áp suất hydro được viết lại 
như sau: 
)2(
1
1
FCr
in
H
H
H 2
2
2
2
IKq
s
K
q
H

 (16) 
Với:
2H
 : hằng số thời gian của hydro (s) 
và
RTK
V
2
2
H
an
H  (17) 
Điện áp của hệ thống pin nhiên liệu 
được tính như sau: 
Vcell=E+ηact+ηohmic (18) 
ở đây: 
)ln( FCCIBact  (19) 
Và FC
int IRohmic  (20) 
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 [10] điện áp tức thời được xác định 
như sau: 
OH
OH
oo
2
22
2 P
PP
log
F
RT
ENE 
 (21) 
Trong đó: E0: điện áp chuẩn khi không 
tải (V); PO2: áp suất riêng phần của oxi 
(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 [11] lượng khí hydro có sẵn 
từ thùng chứa hydro được tính như sau: 
FU
INN
q FCsreqH
2
0
2
 (22) 
Trong đó: 
req
H2
q : 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 oxi. Từ các biểu thức đã phân tích ở 
trên, mô hình pin nhiên liệu xây dựng 
trên Matlab/simulink, như hình 8. 
3. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU 
KHIỂN PHÂN TẦNG 
Cấu trúc điều khiển phân tầng 
(Hierarchical Control) theo [12], bao 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
61
gồm 3 tầng điều khiển cơ bản sau: Tầng 
điều khiển thứ 1 (Primary Control) dùng 
để điều khiển dòng điện, điện áp và công 
suất giữa tải với bộ nghịch lưu (biến 
tần). Tầng điều khiển thứ 2 (Secondary 
Control) dùng để đồng bộ với lưới. Tầng 
điều khiển thứ 3 (Tertiary Control) dùng 
để trao đổi công suất của các nguồn 
phân tán với lưới. Hệ thống điều khiển 
các các nguồn phân tán theo cấu trúc 
phân tầng, như hình 9 và 10. 
Hình 9. Hệ thống điều khiển các nguồn phân tán theo cấu trúc phân tầng 
Hình 10. Sơ đồ cấu trúc điều khiển tầng thứ 1 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
62
4. ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC TẦNG 
4.1. Điều khiển tầng thứ 1 
4.1.1. Điều khiển P, Q theo phương 
pháp độ trượt (độ dốc) 
Phương pháp điều khiển theo độ trượt 
(Droop control method - DCM) thường 
sử dụng trong điều khiển cho các DG 
như: điều khiển giữa tải với bộ nghịch 
lưu, ở đây sử dụng bộ nghịch lưu nguồn 
áp (Voltage source inverter, VSI). Trong 
phương pháp điều khiển này công suất 
tác dụng được điều khiển theo độ trượt 
của tần số và công suất phản kháng điều 
khiển theo độ trượt của biên độ điện áp. 
Ưu điểm của phương pháp DCM là giảm 
các sóng hài bậc cao, điều này có ý 
nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng 
điện năng. Theo [13], sơ đồ mạch điện 
tương đương của bộ nghịch lưu, như 
hình 11. Ở đây: i và E : dòng điện và 
điện áp ra của bộ nghịch lưu; V : điện 
áp lưới và Z : trở kháng của đường 
dây và bộ nghịch lưu. 
Từ sơ đồ hình 11, phương trình cho công 
suất được tính như sau: 
Z
V
Z
EV
IVS
 
 
2
* .. (23) 
Từ biểu thức (23) công suất tác dụng và 
công suất phản kháng được tính như sau: 


sin)(sin
.
cos)(cos
.
2
2
Z
V
Z
EV
Q
Z
V
Z
EV
P
 (24) 
Giả sử trở kháng trên đường dây Z là 
thuần cảm thì 090  , biểu thức (24) 
được viết lại như sau: 
Z
VEV
Q
Z
EV
P
2cos.
sin
.


 (25) 
Nếu sự khác biệt giữa điện áp ra của bộ 
nghịch lưu với điện áp lưới không đủ lớn 
thì  sin và 1cos  , biểu thức (25) 
viết lại là: 
Z
VEV
Q
Z
EV
P
2.
.

 (26) 
biểu thức (26) khi chuyển sang hệ tọa độ 
dq tính toán cho công suất tác dụng, 
công suất phản kháng và kết hợp với 
mạch lọc thông thấp được tính như sau: 
)(
)(
oqododoq
c
c
oqoqodod
c
iviv
s
Q
iviv
s
P c




 (27) 
Trong đó: ωc: tần số cắt của bộ lọc thông 
thấp; vod, voq: là điện áp của vodq ở hệ 
trục tọa độ dp; iod, ioq: là dòng điện của 
iodq ở hệ trục tọa độ dp. Hình 12. Mô 
hình tính toán công suất tác dụng và 
công suất phản kháng kết hợp với mạch 
lọc thông thấp. 
Hình 11. Sơ đồ mạch điện tương đương 
của bộ nghịch lưu 
Điện áp 
lưới 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
63
Tần số và điện áp ra theo [14], điều 
khiển sử dụng phương pháp DCM được 
tính như sau: 
QnEE
Pm
.
.
*
*
 (28) 
Trong đó: * , *E : các giá trị hằng số 
của tần số và điện áp từ hệ thống đo tần 
số và điện áp (RMS); max/ Pm  , 
max2/ QEn : hệ số của tần số và biên 
độ điện áp khi điều khiển theo phương 
pháp điều khiển DCM, như hình 13. 
Từ biểu thức (27) và (28) xây dựng sơ 
đồ cấu trúc điều khiển công suất P, Q 
theo phương pháp DCM như hình 14. 
4.1.2. Điều khiển điện áp và dòng 
điện 
Theo [15], phương trình của điện áp và 
dòng điện điều khiển theo mạch vòng 
khi chuyển sang hệ tọa độ dq được tính 
như sau: 
 Phương trình điều khiển mạch vòng 
ngoài của điện áp sử dụng bộ điều 
khiển PI 
)s/kk)(vv(Cvii
)s/kk)(vv(Cvii
vivpoq
*
oqodoq
*
Lq
vivpod
*
odoqod
*
Ld


 (29) 
Trong đó: *Ldi ,
*
Lqi : dòng điện của
*
Ldqi ở hệ 
trục tọa độ dp; *vod ,
*
oqv : điện áp của 
*vodq ở 
hệ trục tọa độ dp; ω: tần số góc; kvp, kvi: 
các thông số của bộ điều khiển; s: toán 
tử Laplace; C: điện dung mạch lọc. 
 Phương trình điều khiển mạch vòng 
trong của dòng điện sử dụng bộ điều 
khiển PI 
)/)((
)/)((
iiipLq
*
LqLdoq
*
iq
iiipLd
*
LdLqod
*
id
skkiiLivv
skkiiLivv


 (30) 
Trong đó: *idv ,
*
iqv : điện áp của 
*vidq ở hệ 
trục tọa độ dp; Ldi , Lqi : dòng điện của Ldqi
ở hệ trục tọa độ dp; kip, kii: các thông số 
của bộ điều khiển; L: điện cảm mạch lọc. 
Sơ đồ điều khiển mạch vòng của điện áp 
và dòng điện như hình 15. 
vod 
voq 
iod 
ioq 
p 
q 
Hình 12. Mô hình tính toán công suất P,Q 
Hình 13. Điều khiển P,Q theo độ trượt 
của tần số và điện áp 
+Qmax -Qmax +Pmax 
Mô hình 
Tính P, Q 
Hình 12 
vref 
 Hình 14. Mô hình điều khiển công suất P,Q 
theo phương pháp DCM 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
64
4.1.3. Điều khiển điện áp ra mạch 
trở kháng ZD(s) 
Trong cấu trúc điều khiển tầng thứ 1, sử 
dụng phương pháp điều khiển DCM. 
Đối với các nguồn DG có công suất lớn, 
theo [16], trở kháng đầu ra của các 
nguồn DG cũng như trở kháng trên 
đường dây chủ yếu là cảm kháng. Tuy 
nhiên khi sử dụng các bộ biến đổi điện 
tử công suất như: DC/DC, AC/DC và 
DC/AC thì trở kháng đầu ra phụ thuộc 
vào các bộ điều khiển dòng điện, điện 
áp. Đối với điều khiển các DG điện áp 
thấp thì trở kháng trên đường dây xem 
như thuần trở, điện áp đầu ra của mạch 
trở kháng được tính như sau: 
oDref
*
o i).s(Zvv (31) 
Hình 16. Sơ đồ điện áp đầu ra 
 của mạch trở kháng 
4.2. Điều khiển tầng thứ 2 
Theo [17], Trong tầng điều khiển thứ 1 
để điều khiển tần số và điện áp thông 
qua điều chỉnh công suất ra của biến tần, 
nhưng điều này dẫn đến tần số và điện 
áp sẽ dao động. Để bù lại sự dao động 
của tần số và điện áp, đồng thời đưa ra 
giá trị định mức mới, thì phương pháp 
điều khiển tầng 2 được đưa ra. Trong 
điều khiển tầng này, các nguồn phát điện 
phân tán đưa ra tần số ω* và biên độ điện 
áp E*, sau đó tiến hành so sánh với các 
giá trị tham khảo ωref và Eref, đưa ra 
được sai lệch của tần số  và sai lệch 
điện áp E . Các sai lệch này được đưa 
đến các bộ điều khiển của DG ở tầng 
điều khiển thứ 1, như vậy tần số và biên 
độ điện áp của DG sau khi so sánh sẽ đạt 
được giá trị ổn định. Sai lệch của tần số 
và sai lệch của điện áp thể hiện bằng 
công thức sau: 
dtEEkEEkE
dtkk
)()(
)()(
*
refiE
*
refpE
s
*
refiω
*
refpω


 (32) 
Hình 15. Điều khiển mạch vòng của điện áp và dòng điện 
ωC 
ωC 
PI PI 
PI PI 
ωL 
ωL 
iod vod 
ioq voq 
+ + + 
+ + + 
+ 
+ 
- 
- 
- - 
- 
+ + 
- vod 
voq 
iLd 
iLq 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
65
Trong đó: kpω, kiω, kpE và kiE : các thông 
số của bộ điều khiển tầng thứ 2; Δωs: hệ 
số đồng bộ lưới theo tần số lấy từ tín 
hiệu PLL; δω và δE: tín hiệu để điều 
khiển tầng 1. Sai lệch tần số cho phép 
trong điều kiện lưới điện vận hành bình 
thường 0.2Hz. Trong trường hợp lưới 
điện xảy ra sự cố thì tần số sai lệch cho 
phép 0.5Hz. Hình 17 trình bày giới hạn 
và khả năng phục hồi của tần số. 
Hình 17. Giới hạn và khả năng phục hồi 
của tần số 
4.3. Điều khiển tầng thứ 3 
Theo [18], điều khiển tầng thứ 3 dùng để 
điều khiển công suất giữa các nguồn DG 
với công suất của lưới bằng cách điều 
chỉnh tần số (hoặc độ lệch pha) và biên 
độ điện áp, như hình 1. Phương trình tần 
số và biên độ điện áp được tính như sau: 
dt)QQ(k)QQ(kE
dt)PP(k)PP(k
GrefiQGrefpQref
G
refiPGrefpPref
(33) 
Trong đó: kpP, kiP, kpQ và kiQ : là các 
thông số của bộ điều khiển tầng thứ 3; 
PG và QG: công suất tác dụng và công 
suất phản kháng của lưới; Pref và Qref: 
công suất đặt; ωref và Eref: tín hiệu để 
điều khiển tầng thứ 2. 
5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ 
PHỎNG TRÊN 
MATLAB/SIMULINK 
5.1. Xây dựng mô hình trên 
matlab /simulink 
Mô hình được xây dựng dựa trên sơ đồ 
cấu trúc điều khiển các nguồn phân tán 
như hình 9, mục 3. các nguồn phân tán 
(DG) bao gồm: DG1: tuabin gió sử dụng 
máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh 
cửu (PMSG); DG2: nguồn pin mặt trời 
(PV); DG3: nguồn pin nhiên liệu (FC). 
Hệ thống điều khiển các nguồn phân tán 
theo cấu trúc phân tầng được xây dựng 
trên matlab/ simulink như hình 19. 
Bảng 1. Các thông số cơ bản của PMSG 
Công suất máy phát 12kW 
Số cưc (p) 2 
Tốc độ robot () 175 rad/s 
Điện trở stator (R5) 0.425  
Điện cảm stator (L5) 8.4 mH 
Momen 40 Nm 
Từ thông 0.433 Wb 
Hình 18. Đồng bộ lưới PLL 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
66
Bảng 2. Các thông số cơ bản 
của pin nhiên liệu 
Hằng số Faraday (F) 96484600 
(C/kmol) 
Hằng số thời gian của 
hydro )(
2H
 
337 (s) 
Hằng số phân tử van 
hydro )(
2H
 
4.22x10-5 
[kmol/(atm.s)] 
Hằng số mô hình (Kr) 1.8499x10
-6 
[kmol/(s.A)] 
Số lượng pin nhiên liệu 
trong ngăn xếp (No) 
72 
Nội trở của pin nhiên 
liệu (Rint) 
0.00303 () 
Nhiệt độ tuyệt đối (T) 343 (K) 
Hằng số khí lý tưởng (R) 8314.47 
[1 atm/(kmol.K)] 
Hệ số sử dụng (U) 0.8 
Quá điện áp kích hoạt 
PEMFC (B) 
0.04777 (A-1) 
Quá điện áp kích hoạt 
PEMFC (C) 
0.0136 (V) 
Điện áp chuẩn khi không 
tải (E0) 
0.6 (V) 
Bảng 3. Các thông số cơ bản 
của pin mặt trời 
Công suất 1 tầm pin mặt 
trời (Pmax) 
260 W 
Điện áp (Umax) 35 V 
Dòng điện (Imax) 10 A 
Dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 
25oC (ISC) 
10.75 A 
Điện áp hở mạch (UOC) 40 V 
5.2. Kết quả mô phỏng 
Hình 19. Hệ thống điều khiển các nguồn phân tán theo cấu trúc phân tầng 
Hình 20. Công suất tác dụng 
của các nguồn phân tán (kW) 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-5
0
5
10
15
DG3 
DG2 
DG1 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
2
4
6
8
10
Hình 21. Công suất phản kháng 
của các nguồn phân tán (kVar) 
DG1 
DG3 
DG2 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
67
Hình 24. Đáp ứng của tần số 
δω 
Δωs 
Hình 26. Sóng hài dòng điện 
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)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 380 , THD= 0.78%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
Hình 27. Sóng hài điện áp 
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Hình 29. Dòng điện nối lưới Iabc (p.u) 
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-2
-1
0
1
2
x 10
4
Hình 30. Điện áp nối lưới Uabc (V) 
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-1
0
1
2
3
4
x 10
4
Hình 28. Công suất nối lưới 
Q(Var) 
P(W) 
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-50
0
50
Hình 22. Dòng điện ngõ ra Iabc (A) 
Hình 25. Đáp ứng góc điện áp 
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
t/s
θg 
θDG 
δθPLL 
θg=θDG 
Hình 23. 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
500
t/s
δU≈12V 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
68
Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng, ta thấy 
tại thời điểm t = 0.02 s đóng tải thực 
hiện nối lưới, công suất tác dụng của các 
DG lần lượt là: DG1 = 6 kW, DG2 = 3 
kW, DG3 = 2 kW. Công suất phản kháng 
của các DG lần lượt là: DG1 = 9 kVar, 
DG2 = 7 kVar, DG3 = 5 kVar điều này 
thể hiện trên hình 19 và 20. Điện áp ngõ 
ra thể hiện hình 22, điện áp ra sai lệch 
so với điện áp lưới (U = 380 V) là 
12 U V. Đồng thời tần số của các 
DG thể hiện trên hình 24. Dựa theo [19] 
tiêu chuẩn IEEE 1547, đối với các DG 
có dung lượng (0∽500 kVA) khi thực 
hiện nối lưới thì sai lệch tần số cho phép 
 0.3Hz, sai lệch điện áp 10% và sai 
lệch góc pha điện áp là 20o. Góc pha 
điện áp thể hiện trên hình 24. Như vậy 
dựa theo tiêu chuẩn IEEE 1547 khi các 
DG thực hiện nối lưới, các sai lệch điều 
nằm trong phạm vi cho phép, thỏa mãn 
tiêu chuẩn. Tại thời điểm t = 0.1 s, 
công suất của các DG thay đổi, lúc này 
công suất tác dụng DG1 = 12 kW, 
DG2 = 10 kW, DG3 = 5 kW, công 
suất phản kháng DG1 = 2 kVar, 
DG2 = 2 kVar, DG3 = 1 kVar, điều này 
thể hiện trên hình 20 và 21. Lúc này điện 
áp ra của các DG bằng điện áp lưới 
UDG = Ug= 380 V, tần số các DG bằng 
tần số lưới và bằng 50Hz, góc điện áp 
của các DG bằng góc điện áp của lưới, 
thể hiện hình 23, 24 và 25. Ngoài ra đặc 
tính sóng hài của điện áp và sóng hài của 
dòng điện (THD < 5%), điều này thể 
hiện hình 26 và 27. Như vậy qua các kết 
quả mô phỏng trên, có thể thấy rằng, các 
sai lệch tần số và điện áp, góc pha không 
vượt quá giới hạn cho phép theo tiêu 
chuẩn IEEE 1547, nghĩa là thõa mản 
theo tiêu chuẩn, hệ thống nối lưới ở 
trạng thái làm việc ổn định, thể hiện hình 
28, 29 và 30. 
5. KẾT LUẬN 
Thông qua kết quả mô phỏng bài báo đã 
giải quyết được những vấn đề sau: Các 
nguồn phát điện phân tán khi kết nối 
lưới điện sử dụng phương pháp điều 
khiển theo độ dốc thông qua điều chỉnh 
của biến tần, công suất của các nguồn 
phân tán được phân phối cân bằng và tối 
ưu. Khi phụ tải thay đổi thì tần số và 
biên độ điện áp , góc pha trong hệ thống 
nối lưới luôn luôn ổn định, các sai lệch 
tần số, điện áp, góc pha và sóng hài điều 
nằm trong phạm vi cho phép và thõa 
mản theo tiêu chuẩn IEEE 1547. Điều 
khiển các nguồn phân tán theo cấu trúc 
phân tầng đã phát huy đối đa công suất 
phát ra của hệ thống, bất chấp tải nối với 
hệ thống. Sử dụng các nguồn phân tán 
(tuabin gió, pin mặt trời và pin nhiên 
liệu) nhằm giảm sự phụ thuộc vào lưới 
điện truyền thống, các DG kết hợp với 
hệ thống nối lưới thông qua máy biến áp 
400 V/22 kV và đường dây tải điện. Tần 
số và độ lệch điện áp luôn đạt giá trị ổn 
định. Điều khiển các nguồn phân tán 
theo cấu trúc phân tầng nhằm hướng đến 
việc phát triển lưới điện thông minh và 
điều khiển nối lưới linh hoạt cho các 
nguồn năng lượng tái tạo. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 9 tháng 10 - 2015 
69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Lê Kim Anh, 2013, Công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện nhỏ, 
[2] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Xin Ai, 2013, Điều khiển các nguồn phân tán theo mô hình nhà 
máy điện ảo, Tạp chí khoa học và Công nghệ, Đại Học Đà Nẵng, số 3(64). 
[3] Đinh Đăng Định, Lê Kim Anh, Nguyễn Văn Tiểm, 2014, Ứng dụng cấu trúc phân tầng trong 
điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện loại PMSG, Kỷ yếu hội nghị khoa 
học lần 3, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, 78-85. 
[4] Lê Kim Anh, 2014, Nghiên cứu mô hình điều khiển phân tầng và ứng dụng cho các nguồn 
phát có công suất nhỏ, Tạp chí Kinh tế Kỹ thuật, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Bình 
Dương, số 7 (T9), 112-119. 
[5] Đặng Ngọc Huy, Lê Kim Anh,2012, Nghiên cứu mô hình tuabin gió sử dụng máy phát điện 
đồng bộ nam châm vĩnh cửu, Tạp san Khoa học và Công nghệ, Trường Đại Học công nghiệp 
Quảng Ninh. 
[6] Lê Kim Anh, 2013, Điều khiển nối lưới cho tuabin gió kết hợp nguồn pin nhiên liệu, Tạp chí 
Khoa học, Trường Đại học Trà Vinh, số 9(T6),5-9. 
[7] Lê Kim Anh, Xin Ai, 2013, Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều kiện nối 
lưới cho tuabin gió và nguồn pin mặt trời, Tạp chí Kinh tế Kỹ thuật, Trường Đại học Kinh tế 
Kỹ thuật Bình Dương, số 3 (T9), 57-68. 
[8] 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, Trường Đại học Đà Nẵng, số 11(60), 
quyển 2. 
[9] 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, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, số 12. 
[10] Lê Kim Anh, Đặng Ngọc Huy, Xin Ai, 2013, Hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió kết 
hợp nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học 
Đà Nẵng, số 10(71). 
[11] 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. 
[12] Chaoyong Hou, Xuehao Hu, Dong Hui, 2010, Hierarchical Control Techniques Applied in 
Microgrid, IEEE. 
[13] Xiaochun Mou, Xue Zhao, Xin Zhao, 2012, Study on the Control Strategies of Low Voltage 
Microgrid, International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems. 
[14] K. De Brabandere, B. Bolsens, J. Van den Keybus, A. Woyte, J. Driesen and R. Belmans, 
2004, A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters, IEEE. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
70
[15] M. Kohansal, G. B. Gharehpetian, M. Abedi and M. J. Sanjari, 2012, Droop Controller 
Limitation for Voltage Stability in Islanded Microgrid, International Conference on Renewable 
Energies and Power Quality, Santiago de Compostela (Spain), 28th to 30th March. 
[16] Junping He, Ning Wu, Liang Liang,2013, Dynamic Virtual Resistance Droop Control Scheme 
for Distributed Generation System, TELKOMNIKA, Vol.11, No.3, March. 
[17] Alireza Raghami, Mohammad Taghi Ameli, Mohsen Hamzeh, 2013, Primary and Secondary 
Frequency Control in an Autonomous Microgrid Supported by a Load-Shedding Strategy, 
IEEE. 
[18] Josep M. Guerrero, Juan C. Vásquez, Remus Teodorescu,2009, Hierarchical Control 
of Droop-Controlled DC and AC Microgrids - A General Approach Towards Standardization, 
IEEE. 
[19] IEEE 1547, 2008, Application guide for IEEE standard for interconnecting distributed 
resources with electric power system. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Lê Kim Anh sinh năm 1979, nhận bằng Tiến sĩ chuyên ngành Tự 
động hóa trong hệ thống điện. Tác giả hiện đang công tác tại Phòng thanh 
tra và Kiểm định chất lượng giáo dục - Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy 
Hòa - tỉnh Phú Yên. Lĩnh vực nghiên cứu chính: các nguồn phát điện phân 
tán, năng lượng tái tạo, nhà máy điện ảo, chất lượng điện năng. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 9 tháng 10 - 2015 
60