Tóm tắt: cách mạng công nghiệp lần thứ tư (Cách mạng 4.0) đang tác động đến tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội, trong đó có hoạt động đào tạo ngành cơ điện tử và ngành ô tô. khoa cơ - Điện tử của trường đại học kinh doanh và công nghệ hà nội tích cực

TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
105 
MÔ HÌNH PHÂN TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI 
CHO TUABIN GIÓ 
Lê Kim Anh1 
TÓM TẮT 
Nghiên cứu nguồn năng lượng gió để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc 
giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Để tuabin gió vận hành tối 
ưu với vận tốc gió nhất định thì hệ thống rotor phải có chức năng tự điều chỉnh theo 
sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Loại máy phát điện PMSG hoàn toàn đáp ứng 
được những thay đổi này. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng ứng dụng mô 
hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện loại 
PMSG. Ưu điểm của mô hình điều khiển phân tầng là tần số, biên độ và độ lệch điện 
áp luôn đạt giá trị ổn định. Bên cạnh đó, phương pháp điều khiển theo độ trượt 
(Droop control method) cũng được sử dụng nhằm duy trì công suất phát tối đa bất 
chấp tải nối với hệ thống. Hơn nữa, việc giảm sóng hài bậc cao cũng có ý nghĩa lớn 
trong việc nâng cao chất lượng điện năng. 
Từ khóa: Năng lượng tái tạo, tuabin gió, tuabin gió nối lưới, mô hình phân tầng, 
phương pháp điều khiển theo độ trượt 
1. Đặt vấn đề 
Ngày nay, cùng với sự phát triển 
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. Theo số liệu của Ngân hàng thế 
giới, tiềm năng gió của Việt Nam (ở độ 
cao 65m) rất khả quan, ước đạt 
513.360MW, lớn hơn 200 lần công suất 
nhà máy thủy điện Sơn La và hơn 10 
lần tổng công suất dự báo của ngành 
điện đến năm 2020. Tuy nhiên, để khai 
thác, sử dụng nguồn năng lượng gió sao 
cho hiệu quả, thay thế dần các nguồn 
nhiên liệu hóa thạch, nhằm giảm phát 
thải các chất gây ô nhiễm môi trường, 
đặc biệt là khí (CO2) đang là mục tiêu 
nghiên cứu của các nhà quản lý. Mô 
hình 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, độ lệch 
điện áp đến tầng điều khiển thứ 1. Tầng 
điều khiển thứ 3, dùng để trao đổi giữa 
công suất của tuabin gió sử dụng máy 
phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 
(Permanent magnetic synchronous 
generator, PMSG) với công suất của 
lưới, đồng thời đưa tín hiệu biên độ tần 
số và biên độ điện áp đến tầng điều 
khiển thứ 2. Ứng dụng mô hình phân 
tầng trong điều khiển nối lưới cho 
tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng 
bộ nam châm vĩnh cửu, nhằm hướng 
đến phát triển lưới điện thông minh và 
điều khiển nối lưới linh hoạt. 
1 Trường Cao đẳng Công Thương Miền Trung 
Email: tdhlekimanh@gmail.com 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
106 
Hình 1: Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Cp và λ 
Hình 2: Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Pm 
và tốc độ gió 
2. Mô hình tuabin gió và máy 
phát điện PMSG 
2.1. Mô hình tuabin gió 
Theo [1], công suất của tuabin gió 
được tính theo biểu thức: 
3
2
),( v
A
CP pm
 (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 của vận tốc. 
Hệ số biến đổi năng lượng Cp(λ, β) 
của biểu thức (1) được tính như sau: 


  0068.0)54.0
116
(5176.0),(
21
ieC
i
p
 (2) 
với 
31
035.0
08.0
11
 
i
(3)
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 (4) 
Mặt khác, tubin 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 2. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
107 
Hình 3: Sơ đồ điều khiển nối lưới nguồn điện gió theo mô hình phân tầng 
2.2. Mô hình máy phát điện PMSG 
Theo [2], 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
  (5) 
sq
p
ssq
sq
sq
sq
sd
sq
sd
s
sq
L
u
L
i
T
i
L
L
dt
di 
 
11
(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 là hằng số thời gian Stator tại vị 
trí đỉnh cực. Phương trình mômen tính 
như sau: 
 )(
2
3
sqsdsqsdsqpcM LLiiiPm  (7) 
3. Ứng dụng mô hình phân tầng 
trong điều khiển nối lưới 
Xây dựng mô hình điều khiển phân 
tầng bao 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. 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 giữa tuabin gió sử dụng máy 
phát điện loại PMSG (gọi chung nguồn 
điện gió) với lưới. Hệ thống điều khiển 
nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy 
phát điện loại PMSG theo mô hình phân 
tầng, như hình 3 và 4. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
108 
Hình 4: Sơ đồ điều khiển tầng thứ 1 
Hình 5: Sơ đồ mạch điện tương đương của 
bộ nghịch lưu 
Điện áp lưới 
3.1. Điều khiển tầng thứ 1 
3.1.1. 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 các 
nguồn phân tán nói chung và nguồn 
điện gió nói riêng như: điều khiển giữa 
tải với các bộ biến đổi thông qua bộ 
nghịch lưu (biến tần), 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 [3], sơ đồ mạch điện tương 
đương của bộ nghịch lưu, như hình 5. Ở 
đây: i và E : dòng điện và điện áp ra 
của bộ nghịch lưu, 0V : điện áp lưới 
và Z : trở kháng của đường dây và 
bộ nghịch lưu. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
109 
vod 
voq 
 I od 
 ioq 
p 
q 
Hình 6: Mô hình tính toán công suất P,Q 
Từ sơ đồ hình 5, phương trình cho 
công suất được tính như sau: 
Z
V
Z
EV
IVS
 
 
2
* .. (8) 
Từ biểu thức (8) 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
(9) 
Giả sử trở kháng trên đường dây
Z là thuần cảm thì
090  , biểu thức 
(9) được viết lại như sau: 
Z
VEV
Q
Z
EV
P
2cos.
sin
.


(10) 
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 (10) viết lại là: 
Z
VEV
Q
Z
EV
P
2.
.

(11) 
Từ biểu thức (11) 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
c
iviv
s
Q
iviv
s
P




(12) 
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 6 là mô hình tính toán công 
suất tác dụng và công suất phản kháng 
kết hợp với mạch lọc thông thấp. 
Tần số và điện áp ra theo [4], điều 
khiển sử dụng phương pháp DCM được 
tính như sau: 
QnEE
Pm
.
.
*
*
(13) 
Trong đó: 
* , *E là 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 : là hệ số của tần số và 
biên độ điện áp khi điều khiển theo 
phương pháp điều khiển DCM, như 
hình 7. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
110 
Hình 7: Điều khiển P,Q theo độ trượt 
của tần số và điện áp 
+Qma
x 
-Qmax 
+Pma
x 
Mô hình 
Tính P, Q 
Hình 9 
vref 
Hình 8: Mô hình điều khiển công suất P,Q theo 
phương pháp DCM 
Từ biểu thức (12) và (13) xây dựng sơ đồ mô hình điều khiển công suất P, Q 
theo phương pháp DCM, như hình 8. 
3.1.2. Điều khiển điện áp và dòng điện 
Theo [5], 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: 
)/)((
)/)((
**
**
skkvvCvii
skkvvCvii
vivpoqoqodoqLq
vivpododoqodLd


(14) 
Trong đó: 
*
Ldi ,
*
Lqi : là dòng điện của
*
Ldqi ở hệ trục tọa độ dp; 
*
odv ,
*
oqv : là điện 
áp của *odqv 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: 
)/)((
)/)((
**
**
skkiiLivv
skkiiLivv
iiipLqLqLdoqiq
iiipLdLdLqodid


(15) 
Trong đó: 
*
idv ,
*
iqv : là điện áp của
*
idqv
ở hệ trục tọa độ dp; Ldi , Lqi : là 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 9. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
111 
iLd 
iLq 
+ 
- 
voq + 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
+ 
+ 
+ 
vod 
ioq 
iod 
+ + + 
+ - 
- 
- + 
vod 
voq 
Hình 9: Điều khiển mạch vòng của điện áp và dòng điện 
. 
3.1.3. Điều khiển điện áp ra mạch trở 
kháng ZD(s) 
Trong mô hình điều khiển tầng thứ 1, 
sử dụng phương pháp điều khiển DCM 
đối với các nguồn phát điện phân tán có 
công suất lớn, theo [6], trở kháng đầu ra 
của các nguồn phát điện phân tán 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: 
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 điện 
áp thấp như nguồn điện gió thì trở 
kháng trên đường dây xem như thuần 
trở, điện áp đầu ra của mạch trở kháng 
được tính như sau: 
oDrefo isZvv ).(
* 
(16) 
Hình 10: Sơ đồ điện áp đầu ra của mạch 
 trở kháng 
3.2. Điều khiển tầng thứ 2 
Theo [7], điều khiển tầng thứ 2 
dùng để điều khiển tần số và biên độ, 
cũng như độ lệch điện áp khi tải nối với 
lưới thay đổi. Đồng thời thực hiện đồng 
bộ với lưới, như hình 4. Phương trình 
giới hạn độ lệch tần số và điện áp được 
tính như sau: 
dtEEkEEkE
dtkk
refiErefpE
srefirefp
)()(
)()(
**
**

 
(17) 
Trong đó: kpω, kiω, kpE và kiE: là 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: là tín hiệu 
điều khiển tầng 1. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
112 
Bảng 1: Các thông số cơ bản của PMSG 
Hình 12: Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn điện gió ứng dụng 
mô hình phân tầng 
Hình 11: Giới hạn và khả năng phục hồi của tần số 
3.3. Điều khiển tầng thứ 3 
Điều khiển tầng thứ 3 dùng để điều 
khiển công suất giữa nguồn điện gió với 
công suất của lưới theo [7], bằng cách 
ta điều chỉnh tần số (hoặc độ lệch pha) 
và biên độ điện áp, như hình 3. Phương 
trình tần số và biên độ điện áp được tính 
như sau: 
dtQQkQQkE
dtPPkPPk
GrefiQGrefpQref
G
refiPGrefpPref
)()(
)()(
(18) 
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: là tín hiệu 
điều khiển tầng thứ 2. 
4. Xây dựng mô hình và mô 
phỏng trên matlab/simulink 
4.1. Xây dựng mô hình trên 
matlab/simulink 
Mô hình được xây dựng dựa trên sơ 
đồ mô hình điều khiển nối lưới hình 3, 
mục 3. Hệ thống điều khiển nối lưới 
cho nguồn điện gió ứng dụng mô hình 
phân tầng được xây dựng trên 
matlab/simulink, như hình 12. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
113 
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 14: 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
-600
-400
-200
0
200
400
600
Hình 15: Điện áp ngõ ra Uabc (V) 
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-200
0
200
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
Time (s)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.05
0.1
0.15
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 324.1 , THD= 0.36%
M
a
g
(
%
o
f
F
u
n
d
a
m
e
n
t
a
l)
Hình 16: Đặc tính sóng hài điện áp 
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
48.5
49
49.5
50
50.5
Hình 17: Đáp ứng của tần số 
Hình 18: Công suất nối lưới 
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
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
-2
-1
0
1
2
x 10
4
Hình 19: 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
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Hình 13: Công suất tuabin gió(W) 
Đóng tải 
nối lưới 
4.2. Kết quả mô phỏng trên matlab/simulink 
5. Kết luận 
Ứng dụng mô hình phân tầng trong 
điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử 
dụng máy phát điện loại PMSG đã phát 
huy đối đa công suất phát ra của hệ 
thống. Tại thời điểm t = 0.02s đóng tải 
thực hiện nối lưới, dòng điện và điện áp 
cũng như công suất đầu ra luôn bằng 
giá trị đặt. Biên độ và độ lệch của tần số 
tại thời điểm này dao động nhưng nằm 
trong phạm vi cho phép. Đặc tính sóng 
hài của điện áp (THD 
0.02s hệ thống nối lưới ở trạng thái làm 
việc ổn định. Điều khiển nối lưới cho 
tuabin gió sử dụng máy phát điện loại 
PMSG theo mô hình 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 - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 
114 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. 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, 
Đại học Công nghiệp Quảng Ninh 
2. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển 
tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 
3. 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 
4. Yasser Abdel-Rady I. Mohamed, Amr A. Radwan (2011), Hierarchical 
Control System for Robust Microgrid Operation and Seamless Mode Transfer in 
Active Distribution Systems, IEEE 
5. 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 
6. Junping He, Ning Wu, Liang Liang (2013), Dynamic Virtual Resistance 
Droop Control Scheme for Distributed Generation System, TELKOMNIKA, Vol.11, 
No.3, March 
7. Josep M. Guerrero, Juan C. Vásquez, Remus Teodorescu (2009), Hierarchical 
Control of Droop-Controlled DC and AC Microgrids – A General Approach 
Towards Standardization, IEEE 
HIERARCHIAL MODEL IN CONTROLLING 
OF GIRD-CONNECTED WIND TURBINES 
ABSTRACT 
The research of using effectively wind energy sources to generate electricity is 
meaningful to reduce the dependance on fossil energy sources. The rotor system of 
wind turbine must have a function of self-adjustment to the change of wind speed and 
direction so that the wind turbine could operate efficiently at a certain wind velocity. 
The Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) is really suitable for these 
requirements. The article gives simulation results of applying hierarchical model in 
controlling grid-connected PSMG wind turbines. This control model has advantages 
of stable operating frequency, voltage magnitude and voltage deviation. Besides, the 
droop control method has also been used to maintain maximum generating capacity 
of the system, irrespective of connected power loads. Furthermore, the elimination of 
high order harmonics will also have a significant effect on power quality 
improvement. 
Keywords: Renewable energy, wind turbines, grid connected wind turbines, 
hierarchical, droop control method 
(Received: 16/8/2018, Revised: 18/11/2018, Accepted for publication: 11/9/2019)