Xác định tham số điều khiển bộ biến đổi 3 pha AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng có khâu trung gian tần số cao

SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 71
XÁC ĐỊNH THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI 3 PHA AC-DC-
AC-AC ĐA BẬC NỐI TẦNG CÓ KHÂU TRUNG GIAN TẦN SỐ CAO 
UNDERSTANDING OF TUNING TECHNIQUES OF BIDIRECTION, 3 PHASE MULTILEVEL HIGH FREQUENCY LINK 
AC-DC-AC-AC CONVERTER CONTROLLERS 
 Bùi Văn Huy1,*, Mai Thế Thắng1, Đỗ Duy Hợp1 
TÓM TẮT 
Công suất của các nguồn phát phân tán nối lưới ngày càng cao đặt ra yêu cầu 
cần có sự thay đổi về cấu trúc bộ biến đổi. Nghịch lưu đa bậc chính là một giải 
pháp cho những ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao. Bài báo này 
nghiên cứu bộ biến đổi đa bậc nối tầng có cấu trúc AC-DC-AC-AC, có khâu cách ly 
tần số cao. Bộ biến đổi có khả năng kết nối linh hoạt các nguồn điện phân tán có 
nguồn gốc khác nhau, đảm bảo cách ly, đảm bảo khả năng trao đổi công suất tác 
dụng và thu phát công suất phản kháng độc lập, đảm bảo độ tin cậy và khả năng 
dễ dàng mở rộng hệ thống. Trọng tâm của bày báo này là xác định tham số cho 
các mạch vòng điều khiển dòng điện, điện áp và công suất. Kết quả mô phỏng đã 
minh chứng được hiệu quả của các phương án đã đề xuất. 
Từ khóa: PWM, nối tầng, tần số cao, PID. 
ABSTRACT 
The power of increasingly distributed grid-connected generators poses the 
need for a change in the structure of the converter. Multilevel converter 
technology has emerged recently as a very important alternative in the area of 
high-power medium-voltage energy aplication. This paper studies the AC-DC-
AC-AC multi-level with high frequency isolation. The converter has the ability to 
dynamically connect distributed power sources of different origin, ensuring 
isolation, ensuring the ability to exchange active power and transmit reactive 
power, ensuring reliability, reliable and easy to extend system. The focus of this 
paper is on determining the parameters for the current, voltage and power 
loops. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed 
alternatives. 
Keywords: PWM, Multilevel, high frequency, PID. 
1Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 
*Email: huybv.ac@gmail.com 
Ngày nhận bài: 03/01/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 29/3/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 21/8/2018 
Phản biện khoa học: TS. Vũ Hoàng Giang 
KÝ HIỆU 
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 
Qref VAr Giá trị đặt của công suất phản kháng 
Pref W Giá trị đặt công suất tác dụng 
Q VAr Giá trị đo và tính toán của công suất 
phản kháng 
P W Giá trị đo và tính toán của công suất 
tác dụng 
L H Cuộn cảm 
C F Tụ điện 
eN V Điện áp nguồn điện phía xoay chiều 
ed, eq V Điện áp phía lưới trên hệ tọa độ dq 
iL A Dòng điện chạy qua cuộn cảm 
id, iq A Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên 
hệ tọa độ dq 
CHỮ VIẾT TẮT 
SVM Space Vector Modulation 
CHB Cascaded H -bridge 
PLL Phase Locked Loop 
1. MỞ ĐẦU 
Các bộ biến đổi dùng để kết nối các nguồn điện phân 
tán phần lớn có cấu trúc back to back (BTB) hoặc kết nối các 
nguồn điện phân tán với nhau thành hệ thống thông qua 
DC bus hoặc AC bus và dựa trên cơ sở nghịch lưu nguồn áp 
2 mức thông thường hoặc nghịch lưu nguồn Z. Tuy nhiên, 
do có sự phát triển của công nghệ bán dẫn đặc biệt là công 
nghệ chế tạo IGBT, hàng loạt các bộ biến đổi đa bậc được 
sử dụng trong các ứng dụng ở mức trung và cao áp [1]. Bài 
báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu bộ biến đổi 
đa bậc nối tầng AC-AC có khâu cách ly tần số cao gồm 2 
cổng: cổng 1 là xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc cầu 
H nối tầng; cổng 2 xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu đa 
bậc DC-AC-AC nối tầng. Nhiệm vụ đặt ra cho bộ biến đổi là 
kết nối các nguồn điện phân tán với lưới đảm bảo quá trình 
trao đổi công suất tác dụng và thu phát công suất phản 
kháng ở 2 cổng. Bài báo giả thiết hai nguồn điện xoay chiều 
ở hai cổng không những trạng thái không bình thường, tức 
là không có sự biến thiên điện áp và tần số. Những bộ biến 
đổi đa bậc có ưu điểm lớn khi ứng dụng cho những nguồn 
phát phân tán có công suất lớn và điện áp cao cỡ trung áp. 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 48.2018 72
KHOA HỌC
Trong nghiên cứu này tác giả sẽ tiến hành mô phỏng kiểm 
chứng ở lưới điện 3,3kV, việc chọn mức điện áp ở hai cổng 
sẽ tùy thuộc vào các ứng dụng cụ thể. Đối với bộ biến đổi 
AC-AC đa bậc nối tầng, hàng loạt các vấn đề về điều chế và 
chuyển mạch cần được giải quyết, những giải pháp cho các 
vấn đề đó đã được trình bày trong các tài liệu [2, 3]. Nội 
dung chính của bài báo này tập trung vào việc tổng hợp bộ 
điều khiển cho các vòng điều khiển dòng điện, điện áp và 
công suất. 
2. MÔ HÌNH VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 
2.1. Cấu trúc hệ thống 
Cấu trúc bộ biến đổi đa bậc nối tầng cho như hình 1. Bộ 
biến đổi ở cổng 1 đảm nhiệm hai nhiệm vụ chính là ổn định 
điện áp một chiều trung gian của từng pha, cân bằng điện 
áp trên các tụ một chiều trung gian và thu hoặc phát công 
suất phản kháng Q. Bộ biến đổi ở cổng 2 điều khiển cả quá 
trình trao đổi công suất tác dụng P và thu phát công suất 
phản kháng Q mà không chịu ảnh hưởng của vòng điều 
khiển điện áp một chiều trung gian. 
Cấu trúc nghịch lưu đa bậc nối tầng ở phía cổng 1 và 2 
cho phép sử dụng các linh kiện điện tử công suất có khả 
năng chịu được dải điện áp thấp, giảm tổn thất bộ biến đổi, 
giảm yêu cầu các thiết bị lọc thụ động phía lưới. Tại cổng 1, 
mỗi pha được tạo thành từ ba cầu một pha (cầu chữ H), mỗi 
cầu có một nguồn DC riêng biệt. Mỗi cầu chữ H có thể tạo ra 
ba cấp điện áp khác nhau trên đầu ra +E, 0 và –E, tất cả các 
nguồn DC giả thiết có giá trị bằng nhau. Điện áp đầu ra của 
nghịch lưu đa bậc là tổng của tất cả các giá trị đầu ra của 3 
mạch cầu, tạo ra một sơ đồ 7 mức trên mỗi pha. Cấu trúc bộ 
biến đổi ở cổng 2 bao gồm 3 pha, mỗi pha có 3 module DC-
AC-AC nối tầng với nhau như trên hình 2. Mỗi module gồm 
một cầu H ở phía một chiều DC và một bộ biến đổi AC-AC 
nối ở phần xoay chiều, hai bộ biến đổi này được ghép với 
nhau thông qua máy biến áp tần số cao HF như hình 2. Cấu 
trúc bộ biến đổi này đảm bảo hoàn toàn các yêu cầu về 
truyền công suất hai chiều, cách ly hoàn toàn. Nhờ có khâu 
trung gian tần số cao kích thước máy biến áp sẽ giảm nhỏ 
đáng kể, tránh được sử dụng máy biến áp ở tần số cơ bản 
50Hz rất cồng kềnh. Khâu biến đổi AC-AC sử dụng cấu trúc 
biến tần trực tiếp kiểu ma trận đảm bảo chức năng truyền 
công suất hai chiều với hiệu quả cao. Nhờ cấu trúc biến tần 
trực tiếp với điều khiển chuyển mạch đơn giản theo điện áp, 
khâu trung gian trở nên thuần bán dẫn, kích thước nhỏ gọn 
vì không cần đến các tụ điện lớn. Với sơ đồ bộ biến đổi trên 
hình 1 quá trình điều chế PWM phải đảm bảo xử lý vấn đề 
cân bằng điện áp trên các tụ một chiều trung gian ở phía 
cổng 1. Ở phía cổng 2 là đảm bảo chuyển mạch an toàn cho 
bộ biến đổi DC/AC/AC. Hai vấn đề trên đã được trình bày lần 
lượt trong các tài liệu [2, 3]. Với mạch điều chế phù hợp cả 
hai bộ biến đổi ở cổng 1 và 2 có thể coi như bộ nghịch lưu 
PWM trong chế độ nối lưới. Điều đặc biệt ở đây chính là 
nguồn lưới ở cổng 1 và cổng 2 có thể biến động về tần số và 
điện áp khác nhau, mặc dù vẫn phải trong phạm vi cho 
phép. Nói một cách khác là, nhờ có bộ biến đổi, hai cổng AC 
tương đối độc lập với nhau. Điều này sẽ thể hiện ở chế độ 
làm việc, còn về mô hình ta vẫn có thể sử dụng chung như sẽ 
giới thiệu sau đây. 
AC
DC
HF
A1
AC
DC
AC
DC
AC
DC
B1
AC
DC
AC
DC
AC
DC
C1
AC
DC
AC
DC
DC HF
ACA1
A2
HF
AC
HF
AC
HF
AC
HF
AC
HF
AC
HF
AC
HF
AC
AC
B2
C2
A2
B2
B1
A1
A3
B3
C2
C1
C3
Cổng 1 Cổng 2
AC
DC
AC
DC
AC
DC
AC
DC
AC
DC
AC
DC
AC
DC
AC
DC
AC
AC/DC DC/AC/AC
Hình 1. Cấu trúc bộ biến đổi 
S1
S2
S3
S4
C
AC
DC HF
MATRIX CONVERTER
Hình 2. Cấu trúc một module của bộ biến đổi DC/AC/AC 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý dạng rút gọn bộ biến đổi nối lưới 
3~
eN
R L
3~ =
Udc
iL
NLĐB
uconv
Hình 4. Sơ đồ thay thế mạch điện phía lưới 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73
2.2. Mô hình trạng thái liên tục 
Mạch điện dạng rút gọn (sơ đồ một sợi) của bộ biến đổi 
nối lưới cho trên hình 3 [8], gồm bộ biến đổi, bộ lọc thông 
thấp RC (Filter) để giảm thiểu ảnh hưởng của độ đập mạch 
dòng điện tại tần số điều chế ra lưới, cuộn cảm kết nối L có 
cảm kháng LD và điện trở RD gánh chênh lệch điện áp tức thời 
giữa lưới và đầu ra bộ biến đổi và làm trơn dòng điện, máy 
biến áp và máy đóng cắt. Tuy nhiên, các bộ biến đổi đa bậc 
nối tầng có chất lượng sóng hài ở đầu ra rất tốt ngay cả với 
điện áp cao nên không cần sử dụng máy biến áp và khâu lọc. 
Sơ đồ nguyên lý bỏ qua những khâu này cho trên hình 4. 
Trên hình 4 đã sử dụng giả thiết rằng điện áp đầu ra 
xoay chiều của bộ nghịch lưu uconv có dạng sóng sin. Có thể 
dùng các phương pháp trung bình hệ phương trình trạng 
thái để chứng tỏ tính đúng đắn của mô hình nhưng do 
khuôn khổ bài báo ở đây sẽ không xét đến vấn đề này. Khi 
đưa năng lượng lên lưới, bộ biến đổi làm việc ở chế độ 
nghịch lưu nghĩa là chuyển năng lượng từ mạch điện một 
chiều trung gian lên lưới. Khi năng lượng truyền từ lưới vào 
bộ biến đổi thì bộ biến đổi đóng vai trò bộ chỉnh lưu, nạp 
năng lượng vào mạch một chiều trung gian. 
Trên cơ sở sơ đồ thay thế, áp dụng định luật Kirhoff cho 
mạch điện một pha như sau: 
 L N
diu Ri L e
dt
 (1) 
Chuyển sang biểu diễn véc tơ và chuyển sang hệ tọa độ 
dq, phương trình dạng (1) viết cho cả ba pha sẽ trở thành 
phương trình dạng (2), viết cho hai thành phần theo trục d 
và theo trục q. 
Ld
Ld Lq d Nd
Lq
Lq Ld q Nq
di R 1i ωi u e
dt L L
di R 1i ωi u e
dt L L
 (2) 
Các phương trình (2) chính là mô hình trạng thái của bộ 
biến đổi phía lưới. Cả hai bộ biến đổi ở cổng 1 và cổng 2 
đều có mô hình trạng thái dạng này. Dựa vào (2) ta thấy đại 
lượng điều khiển là điện áp ra của khâu nghịch lưu phía lưới 
[ud, uq], véc tơ trạng thái là hai thành phần [iLd, iLq]. Theo 0 
công suất phản kháng QN và công suất tác dụng PN của bộ 
biến đổi phía lưới được tính trên hệ tọa độ dq (hệ tựa theo 
điện áp lưới nên eNq = 0) như (3). 
( ) ;    
( )
Nd Nd Nq Nq Nd Nd
Nq Nd Nd Nq Nd Nq
3 3P e i e i e i
2 2
3 3Q e i e i e i
2 2
 (3) 
Trong trường hợp tụ trung gian không nối với tải và giả 
thiết tổn hao bộ biến đổi nhỏ khi đó: 
;     DCNd Nd DC DC DC
du3P e i u i i C
2 dt
 (4) 
Dựa vào (3), (4) ta thấy muốn điều khiển công suất tác 
dụng hay điện áp một chiều trung gian uDC ta điều khiển iNd, 
muốn điều khiển công suất phản kháng ta điều khiển iNq. 
2.3. Phân tích cấu trúc điều khiển 
Dựa vào những phân tích ở mục 2.2 ta thấy điện áp trên 
tụ điện một chiều trung gian, công suất tác dụng, công 
suất phản kháng là những đại lượng cần phải điều khiển. 
Những đại lượng này muốn thay đổi được thì phải tác động 
thông qua dòng điện chạy qua cuộn cảm của các pha. Xét 
về mặt điều khiển, cấu trúc hai mạch vòng gồm có mạch 
vòng trong là mạch vòng dòng điện, mạch vòng ngoài là 
mạch vòng công suất hoặc điện áp có những ưu điểm nổi 
bật. Mạch vòng dòng điện sẽ giúp hệ thống kiểm soát được 
dòng điện, đáp ứng tốt hơn với nhiễu tải, dập được dao 
động cộng hưởng và bảo vệ được sự cố quá dòng. Khi 
mạch vòng dòng điện được thiết kế tốt thì việc thiết kế 
mạch vòng ngoài (điện áp, công suất) cũng trở nên dễ 
dàng hơn. Đối với mạch vòng điều khiển bên ngoài thì mục 
tiêu là ổn định, trong khi mạch vòng trong thì yêu cầu đặt 
ra là khả năng đáp ứng động học nhanh. Sơ đồ hệ thống 
điều khiển ở hai cổng theo cấu trúc hai mạch vòng như 
hình 5 và 6, trong đó các giá trị P1 , P2, Q1 và Q2 được tính 
toán dựa trên các giá trị ed, eq, id, iq ở các cổng tương ứng 
theo công thức (3). 
Tại cổng 1, bộ biến đổi đảm nhiệm nhiệm vụ thứ nhất là 
cân bằng công suất giữa phía DC và phía AC của bộ biến 
đổi quy thành ổn định điện áp một chiều trung gian của 
từng pha. Nhiệm vụ thứ 2 là thu hoặc phát công suất phản 
kháng Q theo giá trị đặt. Trong quá trình cân bằng điện áp 
trên các tụ, công suất tác dụng P cũng được trao đổi thụ 
động theo nhu cầu trao đổi công suất tác dụng ở cổng 2. 
Đầu ra của bộ điều khiển điện áp một chiều tạo giá trị đặt 
của dòng điện theo trục d. Đầu ra của bộ điều khiển công 
suất phản kháng tạo ra giá trị đặt dòng điện theo tru ̣c q. Tại 
cổng 2, bộ biến đổi điều khiển cả quá trình trao đổi công 
suất tác dụng và thu phát công suất phản kháng Q mà 
không chịu ảnh hưởng của vòng điều khiển điện áp một 
chiều trung gian. Đầu ra của bộ điều khiển công suất tác 
dụng P sẽ là giá trị đặt của đòng điện theo trục d. Đầu ra 
của bộ điều khiển công suất phản kháng sẽ tạo ra giá trị đặt 
dòng điện theo trục q. Một điểm cần chú ý là việc điều 
khiển thu phát công suất phản kháng ở hai cổng là độc lập 
với nhau. 

Hình 5. Cấu trúc hệ thống điều khiển cổng 1 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 48.2018 74
KHOA HỌC

Hình 6. Cấu trúc hệ thống điều khiển ở cổng 2 
2.4. Thiết kế mạch vòng dòng điện 
Từ phương trình (2) ta thấy trong phương trình mạch 
vòng dòng điện có sự tác động xen kênh giữa hai nhánh d, 
q đồng thời có sự tham gia của hai thành phần điện áp lưới 
là ed và eq. Bộ điều khiển PI có cấu trúc như (5) đảm bảo khả 
năng bù xen kênh giữa hai thành phần dòng điện d, q đồng 
thời khử tác động của ed và eq bằng phương pháp bù xuôi. 
, ,
, ,
;  dref p d i d d d q
qref p q i q q q d
1u K K I e Li
s
1u K K I e Li
s


 (5) 
Trong đó ,dref qrefu u lần lượt là lượng đặt cho các thành 
phần điện áp đầu ra bộ biến đổi. Các hệ số p,d p,q i,d i ,qK ,K ,K ,K 
lần lượt là các hệ số tỷ lệ và tích phân của các bộ điều chỉnh 
tương ứng trục d và q. Cấu trúc của bộ điều khiển dòng ở 
cả cổng 1 và 2 được cho như hình 7. 
Vì trong cấu trúc điều khiển dòng, ta đã bù tách kênh 
đồng thời hai thành phần ed và eq, nói cách khác hai thành 
phần ed và eq được coi như là nhiễu và đã được khử theo 
phương pháp bù xuôi. Do đó, mô hình hệ thống thu được 
sẽ gồm hai mô hình nhỏ trên trục tọa độ d, q độc lập nhau. 
Bỏ qua thời gian trễ xử lý tín hiệu và trễ do quá trình trích 
mẫu, cấu trúc điều khiển dòng điện cho như trên hình 8. 
1
R Ls 
1
R Ls 
Hình 7. Cấu trúc bộ điều khiển ở cổng 1,2 
1 ic
pc
ic
sT
K
sT
 01 .
mK
sT 
1
.R s L 
TiK
*
,d qi
,d q
i
Hình 8. Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng trong hệ tọa độ dq 
Trong đó: T0 là thời gian trễ của bộ biến đổi điện tử 
công suất; Km là hệ số khuếch đại bộ biến đổi điện tử công 
suất; KTi là hệ số đo dòng điện ; Kpc,Tic lần lượt là tham số của 
bộ điều khiển theo luật PI. 
Hàm truyền vòng hở được cho bởi công thức (6): 
ic 0
0 pc
ic 0 L
1 sT K1KG K
sT 1 sT 1 sT
 (6) 
Tổng hợp bộ điều khiển theo phương áp tối ưu độ lớn 
áp dụng định lý 2.40 tài liệu [4] ta có tham số bộ điều khiển 
như Error! Reference source not found.. 
;   
.
 Lic L
0 0
TLT T Kpc
R 2K T
 (7) 
Trong đó: . . ; ; 0 m L Ti L L
1 LK K K K K T
R R
Thay vào (6) ta có (8): 
( )
0
0
1KG
2 1 sT
 (8) 
Hàm truyền kín mạch vòng dòng được cho như (9): 
( ) 
c
0
1KG s
1 s2T
 (9) 
Khi đó hàm truyền hệ kín sẽ như: 
( ) ( )
( )
( ) ( )
q d
c
qref dref 0 eq
I s I s 1 1KG s
I s I s 1 s2T 1 sT
 (10) 
Với eq 0T 2T là hằng số thời gian tương đương của 
vòng điều khiển dòng điện được tổng hợp theo tiêu chuẩn 
tối ưu độ lớn. 
2.5. Thiết kế mạch vòng điện áp một chiều 
Như phân tích ở trên, khâu điện áp một chiều là khâu 
trung gian trao đổi năng lượng tác dụng giữa hai cổng. 
Kiểm soát được điện áp một chiều trên tụ chính là kiểm 
soát được quá trình trao đổi công suất tác dụng giữa hai 
cổng. Bộ điều khiển điện áp một chiều trung gian có nhiệm 
vụ ổn định tổng giá trị điện áp một chiều trên các tụ, đầu ra 
của bộ điều khiển điện áp một chiều là giá trị đặt của dòng 
điện trên trục d. 
1 iu
pu
iu
T s
K
T s
-+
1
1 . eqs T 
3
2 Ti
E
K
2
Cs
* 
Bộ điều khiển DC Vòng đk dòng
di
*
di
Hình 9. Sơ đồ khối vòng kín bộ điều khiển điện áp một chiều trung gian 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 75
Trong đó, uc là điện áp một chiều trên tụ, idc là dòng 
điện đi từ bộ biến đổi vào khâu một chiều trung gian trong 
chế độ chỉnh lưu và dòng ngược lại trong chế độ nghịch 
lưu. Phương trình cân bằng công suất tác dụng của phía 
một chiều và phía xoay chiều như (11). 
 d d q q C C loss
C dc
C loss dc loss
3P e i e i 9u i P
2
du du9u C P u C P
dt dt
 (11) 
Trong đó: , , , C C dc c lossu i u 3u p lần lượt là điện áp trên 
tụ, dòng điện đi qua tụ, điện áp một chiều tổng của một 
pha và năng lượng tổn hao trong bộ biến đổi. Bỏ qua tổn 
hao của bộ biến đổi, giả sử nguồn điện phía xoay chiều là 
đối xứng ta có eq = 0, ed = E chính bằng biên độ của điện áp 
pha, phương trình (11) trở thành (12): 
. dc ddc
dc
du 3EiC u
dt 2u
 (12) 
Đặt * * *;    .  2dc dc dcu u u ta có (13), với giả thiết bỏ 
qua thời gian trích mẫu ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển cho 
như hình 9. Việc tổng hợp bộ điều khiển này tác giả có 
tham khảo [5]. 
.

 d
1 d 3C E i
2 dt 2
 (13) 
Trong đó: Teq là thời gian trễ của mạch vòng dòng điện; 
KTi là hệ số đo dòng điện. 
Từ hình 9 ta có hàm truyền hệ hở như (14). 
. . . .
( )
iu iu td
O L pu pu
iu eq Ti iu eq
1 T s 1 T s K1 1 3E 2G K K
T s 1 T s K 2 Cs T s s 1 T s
 (14) 
Với td
Ti
1 3EK
K C
, áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta 
xác định được tham số bộ điều khiển PI như (15) [4] với a là 
tham số tùy chọn theo yêu cầu chất lượng cần có của hệ kín. 
;    Tiiu eq pu
td eq eq
K C1T aT K
K T a 3ET a
 (15) 
2.6. Thiết kế các vòng điều khiển công suất 
Đối với cổng 1 vòng điều khiển điện áp một chiều trung 
gian tạo giá trị đặt cho vòng điều khiển dòng điện trục d. 
Bộ điều khiển công suất phản kháng Q sẽ tạo giá trị đặt cho 
dòng điện ở trục q và sơ đồ cấu trúc điều khiển cho như 
hình 10a. 
Đối với cổng 2 thì cả công suất phản kháng và công 
suất tác dụng đều được điều khiển. Bộ điều khiển công 
suất tác dụng tạo giá trị đặt cho dòng điện ở trục d trong 
khi đầu ra bộ điều khiển công suất phản kháng lại tạo ra giá 
trị đặt cho dòng điện ở trục q cho như hình 10b. 
Từ (3) ta xác định được công suất tác dụng và công suất 
phản kháng. Nếu nguồn lưới phía hai cổng là cân bằng thì 
eq = 0, khi đó: ;    d d q d
3 3P e i Q i e
2 2
 (16) 
Từ (10) và (16) ta có (17): 
( ) ( )( ) (s)
( )
P ( ) ( ) ( ) ( )
q d
i
ref ref qref dref eq
I s I sP s Q 1G s
s Q s I s I s 1 sT
 (17) 
Cấu trúc vòng điều khiển công suất tác dụng và công 
phản kháng cho như trên hình 13. 
2
_dc refU
2
dcU
Hình 10. Vòng điều khiển công suất 2 cổng 
PI4
PI2
idref
iqref
wL
ed
eq
udref
uqref
id
iq
PI3
PI1
-
+
+
- -
+
+
+
+
+
Q_ref
Q
-
+
-
+
X
X
+
-
-+
id
iq
ed
eq
1
R Ls 
1
R Ls 
-
wL
wL
+2
_dc refU
2
dcU
Hình 11. Cấu trúc điều khiển PI cổng 1 
1
R Ls 
1
R Ls 
Hình 12. Cấu trúc điều khiển PI ở cổng 2 
dref
i
d
i
PR-
+ 1
1 . eqsT 
3
2
de
refP
mesP
Bộ điều khiển P Vòng đk dòng
(a)
1
1 .
eq
sT 
QR+
- 3
2
de
refQ
mesQ
Bộ điều khiển Q Vòng đk dòng
qrefi
qi
(b)
Hình 13. Cấu trúc bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng 
Hàm truyền vòng hở mạch vòng công suất cho như (18) 
và (19). 
,
;  
ip d
P o pp
ip eq Ti
ip 02
pp
ip eq
d
02
1 T s 3e1G K
T s 1 T s 2K
1 T s KK
T s 1 T s
3e
K
2
 (18) 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 48.2018 76
KHOA HỌC
Q,
;
iq d
o pq
iq eq Ti
iq 02
pq
iq eq
d
02
1 T s 3e1G K
T s 1 T s 2K
1 T s K
K
T s 1 T s
3e
K
2
 (19) 
Áp dụng phương pháp xác định tham số bộ điều khiển 
PI theo phương pháp lựa chọn hệ số damping  (trang 123-
tài liệu [6]) ta có tham số bộ điều khiển công suất như (20). 
e
;  
 
 02 dpp pq ip iq 2 2
eq Ti eq
K 3K K 1 K K
4 T 8 K T
 (20) 
Mạch vòng điều khiển công suất như 0 gọi là mạch điều 
khiển vòng kín. Các giá trị đặt cho mạch vòng dòng điện 
hoàn toàn có thể tính theo công thức (21) (trang 221 tài 
liệu [7]) 
* *
* *
d qd
2 2
q dq d q
e ei P1
e ei e e Q (16) 
Khi đó nhiệm vụ kiểm soát việc trao đổi công suất tác 
dụng và thu phát công suất phản kháng bản chất lại là điều 
khiển các thành phần dòng điện id và iq trên hệ tọa độ dq. 
3. MÔ PHỎNG 
Mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm 
chứng khả năng làm việc của bộ biến đổi và thuật toán 
điều khiển điều chế đã thiết kế. Sơ đồ mô phỏng của hệ 
thống điều khiển bộ biến đổi trên phần mềm 
Matlab/Simulink cho như hình 14, trong đó khâu PWM 
controller là khâu thực hiện thuật toán điều chế ở phía 
cổng 1. Hai bộ điều khiển controller 1 và controller 2 tương 
ứng là bộ điều khiển ở cổng 1 và cổng 2. Tham số của hệ 
thống cho như bảng 1 và tham số của các bộ điều khiển sử 
dụng để mô phỏng cho như trên bảng 2. 
Hình 14. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển 
Bảng 1. Tham số hệ thống bộ biến đổi 
STT Ký hiệu Mô tả Giá trị Đơn vị 
1 C Tụ điện một chiều 5000 F 
2 R Điện trở cuộn lọc 0,01  
3 L Điện cảm cuộn lọc 4,5 mH 
4 Smax Công suất cực đại 300 kVA 
5 V1nom Giá trị điện áp dây cổng 1 3300 V 
6 V2nom Giá trị điện áp dây cổng 2 3300 V 
7 VDC Điện áp một chiều trên tụ 1100 V 
8 fpwm Tần số sóng điều chế phía nghịch lưu đa 
bậc, của một cầu H 
500 Hz 
9 fHF Tần số điều chế phía sơ cấp MBA tần số cao 2,5 kHz 
10 fs Tần số điều chế phía thứ cấp MBA tần số cao 5 kHz 
11 KTI Hệ số đo dòng 0,01 V/A 
12 KTU Hệ số đo áp 1/2700 V/V 
Bảng 2. Tham số bộ điều khiển cộng hưởng 
STT Ký hiệu Mô tả Giá trị 
1 Kpi1 Hệ số Kp của bộ điều khiển dòng điện cổng 1 1,0227 
2 Kii1 Hệ số Ki của bộ điều khiển dòng điện cổng 1 2,2727 
3 Kpi2 Hệ số Kp của bộ điều khiển dòng điện cổng 2 12,861 
4 Kii2 Hệ số Ki của bộ điều khiển dòng điện cổng 2 1,0052e+03 
5 Kpu Hệ số Kp của bộ điều khiển điện áp DC 0,0215 
6 Kiu Hệ số Ki của bộ điều khiển điện áp DC 0,985 
7 Kpp1 Hệ số Kp của bộ điều khiển công suất cổng 1 1 
8 Kip1 Hệ số Ki của bộ điều khiển công suất cổng 1 30 
9 Kppq2 Hệ số Kp của bộ điều khiển công suất cổng 2 1 
10 Kipq2 Hệ số Ki của bộ điều khiển công suất cổng 2 300 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 77
Hình 15. Dạng điện áp một chiều của các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình 
trên một pha 
Hình 16. Dạng điện áp ngay đầu vào bộ biến đổi phía cổng 1 và cổng 2 
Hình 17. Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2 
Hình 18. Công suất tác dụng trao đổi ở hai cổng 
Hình 19. Công suất Q trao đổi ở 2 cổng 
Hình 20. Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ở cổng 1 
Hình 21. Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ỏ cổng 2 
0 100 200 300 400 500 600
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 80.43 , THD= 1.85%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
0 100 200 300 400 500 600
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 72.07 , THD= 0.85%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 48.2018 78
KHOA HỌC
Dựa vào kết quả mô phỏng trên hình 15 ta thấy thuật 
toán cân bằng điện áp một chiều đã hoạt động tốt khi kết 
hợp với các thuật toán điều khiển PI cho mạch vòng dòng 
điện và các bộ điều khiển vòng ngoài. Sau thời gian khoảng 
0,7s thì điện áp một chiều trên các tụ của một pha được cân 
bằng và có giá trị cỡ 1100V khi đó chất lượng dòng điện thể 
hiện trên các hình 17, 20, 21 cũng được cải thiện đáng kể. 
Bộ điều khiển giá trị tổng điện áp một chiều trên một pha 
làm việc tốt với thời gian xác lập giá trị đặt 3300V cỡ 0,1s. 
Các kết quả mô phỏng dạng điện áp ngay đầu vào bộ 
biến đổi cho trên hình 16 cho thấy dạng điện áp đầu ra 
(trước cuộn cảm lọc dòng) của một pha có dạng 7 bậc. Điều 
này đã minh chứng thuật toán điều chế đa bậc kiểu dịch 
pha là đúng đắn và quá trình chuyển mạch của các bộ DC-
AC-AC là tin cậy và an toàn. Dựa vào kết quả mô phỏng cho 
trên các hình 18, 19 ta thấy công suất phản kháng thu phát 
thực tế đo và tính toán được ở hai cổng rất bám sát công 
suất phản kháng đặt, cần chú ý rằng quá trình thu phát 
công suất phản kháng của hai cổng là độc lập với nhau. Kết 
quả mô phỏng công suất tác dụng ở cổng 1 có sự trao đổi 
nhằm mục đích cân bằng điện áp trên các tụ và thu phát 
theo yêu cầu ở cổng 2. 
4. KẾT LUẬN 
Trọng tâm của bài báo là xây dựng hệ điều khiển cho bộ 
biến đổi. Các vòng điều khiển dòng điện, điện áp một chiều 
trung gian, điều khiển công suất P, Q đều được đưa ra phân 
tích và thiết kế. Bài báo xây dựng các mô hình về bộ biến 
đổi bán dẫn đa mức mang đầy đủ ý nghĩa vật lý lẫn tính hệ 
thống chặt chẽ, trên cơ sở các giả thiết vừa đủ. Khi nghiên 
cứu về điều khiển chuyển mạch phải tính đến thời gian 
đóng cắt của khóa bán dẫn, khi xây dựng mô hình đối 
tượng điều khiển thì dùng giả thiết khóa bán dẫn lý tưởng. 
Các minh chứng bằng mô phỏng cho thấy các kết quả đưa 
ra có tính thuyết phục, có khả năng ứng dụng vào thực tế. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Stefano Bifaretti, Pericle Zanchetta, Alan Watson, Luca Tarisciotti, and 
Jon C. Clare, Senior, 2011. “Advanced Power Electronic Conversion and Control 
System for Universal and Flexible Power Management”. IEEE Transactions on smart 
grid, vol. 2, No. 2, June 2011, pp 231-243. 
[2]. Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh, 2013. Chiến lược cân bằng điện áp các 
khâu DC cho chỉnh lưu tích cực trên cơ sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H. Hội 
nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2013 (trang 204-
210). 
[3]. Bùi Văn Huy, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, 
2014. Bộ biến đổi DC-AC-AC qua khâu trung gian tần số cao có khả năng trao đổi 
công suất hai chiều. Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014 (trang 
136-142). 
[4]. Nguyễn Doãn Phước, 2009. “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”. NXB KHKT. 
[5]. Phạm Tuấn Anh, 2015. “Các phương pháp điều khiển thiết bị kho điện sử 
dụng trong hệ thống phát điện sức gió hoạt động ở chế độ ốc đảo”. Luận án tiến sĩ 
ĐHBK HN. 
[6]. Marian P. Kazmierkowski, R. Krishnan, Frede Blaabjerg, 2002. “Control 
in Power Electronics”. Copyright 2002, Elsevier Science. 
[7]. Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodriguez, 2011. “Grid 
converters for photovoltaic and wind power systems”. WILEY. 
[8]. Đặng Danh Hoằng, 2012. Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không 
đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp 
điều khiển phi tuyến. Luận án Tiến sĩ Đại học Thái Nguyên.