Thiết kế bộ điều khiển kiểu Dead-Beat để nâng cao tính động học cho hệ thống lưu trữ trong mạng điện cục bộ

 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
57 
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KIỂU DEAD-BEAT ĐỂ NÂNG CAO 
TÍNH ĐỘNG HỌC CHO HỆ THỐNG LƯU TRỮ TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ 
DYNAMIC IMPROVEMENT OF BESS USING DEAD-BEAT TYPE CONTROLLER 
Ngô Đức Minh 
Trường Đại học KTCN- Đại học Thái Nguyên 
Nguyễn Văn Liễn 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Hệ thống lưu trữ điện acquy (BESS) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các mạng điện 
cục bộ. Để nâng cao tính động học cho BESS, và thuận lợi cho việc triển khai thuật toán bằng các vi 
điều khiển hay DSP, tác giả đã xây dựng bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat. Nội dung của phương 
pháp là: Dựa trên nền tảng của phương pháp điều khiển tựa theo vectơ điện áp lưới trong hệ tọa độ 
quay dq, có khối phát xung theo phương pháp điều chế vectơ không gian SVM. Hệ phương trình mô 
tả hệ thống được viết trong không gian trạng thái và gián đoạn hóa với chu kỳ trích mẫu nhỏ (5kHz) để 
làm cơ sở cho bộ điều chỉnh dòng điện sao cho giá trị của dòng điện thực đuổi kịp giá trị đặt trong 
khoảng thời gian cần thiết. Ví dụ, chọn là 2 chu kỳ trích mẫu. Kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink 
cho thấy cấu trúc điều khiển này thỏa mãn các yêu cầu đặt ra với hệ BESS, cho đáp ứng động học 
của hệ thống nhanh. 
ABSTRACT 
Battery Energy Storage Systems (BESS) are widely used in local power networks. In order to 
improve dynamic response of the BESS and to take advantage of implementation algorithms based on 
microprocessors or Digital Signal Processing (DSP) systems, the authors of the paper proposed a 
deadbeat current controller design for the BESS. The main idea of the method is relied on the grid 
voltage oriented vector control approach on the well-known dq rotational frame and the space vector 
SVM pulse width modulation technique. The system is described by state-space equations that are 
then transformed into the discrete-time domain with a high sampling frequency (5kHz). The designed 
controller guarantees that the actual values of the plant currents follow their set values after a desired 
time (in 2 sampling periods). Result, simulated by Matlab/Simulink, shows that this control structure 
satisfies established demands toward BESS system and has fast dynamic response. 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
BESS là thiết bị tích trữ năng lượng 
nguồn acquy, ngày càng được ứng dụng rộng 
rãi trong các mạng điện cục bộ. Điều khiển 
BESS đã có nhiều phương pháp được đưa ra, 
mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm 
riêng. Ví dụ như: Phương pháp VOC với bộ 
điều khiển dòng theo kiểu PI số có chất lượng 
điều khiển cao, nhưng tính động học còn thấp 
(hàng trăm ms),[1]; Phương pháp điều khiển 
trực tiếp công suất DPC có tính động học cao, 
nhưng có nhược điểm là tần số đóng cắt lớn 
(40kHz) và không cố định, gây dao động công 
suất,... 
Như vậy, tùy theo từng đối tượng áp 
dụng, người ta lựa chọn thuật điều khiển cho 
thích hợp. Trường hợp yêu cầu đáp ứng nhanh, 
đòi hỏi bộ điều khiển phải có tính động học cao, 
chất lượng điều khiển đảm bảo điện áp phát ta 
của BESS phải thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng 
điện năng, ta ứng dụng phương pháp VOC và 
thiết kế bộ điều khiển kiểu Dead-Beat, khối 
phát xung theo phương pháp điều chế vector 
không gian SVM. 
II. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 
2.1 Mạng điện cục bộ công suất nhỏ 
Xét một mạng điện cục bộ như Hình 1. 
Mục tiêu đề ra cho BESS phải có tính động học 
cao để phản ứng nhanh trong khi thực hiện một 
số chức năng sau: 
- Giảm ứng suất cho nguồn khi đóng/cắt tải 
nặng. 
- Ổn định điện áp khi có biến động tải 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
58 
P1+jQ1
F 85 kVA 
400V . 50hz
PC2
P3+jQ3
Line (km)
P2+jQ2
BESS
~
PC1
Hình 1. Sơ đồ BESS và lưới điện cục bộ 
2.2 Phân tích cấu trúc điều khiển 
Hình 2 Mô tả cấu trúc mạch lực của BESS, [2]. 
Battery
USLt Lf
Cf
Cdc
UL
Hình 2. Cấu trúc mạch lực của BESS 
Từ sơ đồ mạch lực của BESS (Hình 2), ta 
viết được phương trình mô hình dòng điện của 
bộ biến đổi trong hệ tọa độ quay dq: 
Ld
Ld Ld Sd Lq
Lq
Lq Lq Sq Ld
di
u Ri L u Li
dt
di
u Ri L u Li
dt
   
   
 (1) 
Phương trình (1) là xuất phát để ta có thể 
xây dựng bộ điều khiển tựa theo điện áp lưới 
với khâu phát xung theo phương pháp điều chế 
vector không gian. Một bộ điều khiển đơn giản 
thường được thiết kế với bộ điều chỉnh dòng 
theo kiểu PI thông thường [2]. Nhưng, nếu theo 
tiêu chí bộ điều khiển phải có tính động học cao 
ta thiết kế bộ điều khiển dòng theo kiểu Deat-
Beat. 
Từ (1), viết lại dưới dạng mô hình trạng 
thái [3],[4] , ta có: 
 
 
Ld
Td s Lq Sd Ld
L
Lq
s Ld Lq Sq Lq
L
di 1 1
=- i +ω i + u -u
dt T L
di 1 1
=-ω i - i + u -u
dt T L






 (2) 
Từ phương trình trạng thái ta thu được 
mô hình dòng gián đoạn: 
        L L S Li k+1 =Φ i k +Hu k -Hu k (3) 
Trong đó: 
d d
d D
T T
1- ωT 0
T L
Φ= ; H =
T T
-ωT 1- 0
T L
   
   
   
   
   
  
Ld Ld Sd
L L S
Lq Lq Sq
i (k) u (k) u (k)
i (k)= ;u (k)= ;u (k)=
i (k) u (k) u (k)
     
     
     
T: Là chu kỳ trích mẫu bộ điều chỉnh dòng 
điện. 
Từ đây ta xây dựng được cấu trúc mạch 
vòng dòng điện phía lưới, Hình 3. Đó chính là 
xuất phát điểm để thiết kế khâu điều chỉnh 
dòng. 
*
( )Si k
u ( 1)n k  u ( )n k
iR
H
1
H
 1z I H 1z I
H

( )Li k
( )y k
( )su k
Hình 3. Cấu trúc mạch vòng dòng điện phía lưới 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
59 
Giả thiết y(k) là biến đầu ra của khâu 
điều chỉnh vector Ri , trong đó đã bù ảnh hưởng 
điện áp lưới và trễ thời gian thực hiện bộ điều 
chỉnh 
     -1S Lu k+1 =H y k +H u k+1  
 (4) 
Phương trình (4) thể hiện rõ trong quá 
trình thiết kế bộ điều chỉnh dòng đã xét cả hiện 
tượng làm trễ một nhịp tính trong hàm đặt của 
khâu điều chỉnh dòng. Biểu thức thứ hai, 
 LH u k+1 có nhiệm vụ bù tĩnh nhiễu điện áp 
lưới. 
Phương trình đầu ra bộ điều chỉnh dòng: 
L L
L L
*
i i w
*
i
y(k)=R i (k)-i (k) =R x (k)
y(z)=R i (z)-i (z)
 
 
 
 
 (5) 
Mục tiêu đặt ra khi thiết kế bộ điều chỉnh 
dòng có động học cao sao cho giá trị thực đuổi 
kịp giá trị đặt trong 2 chu kỳ trích mẫu. 
L L
*-2i (z)=z i (z) (6) 
Thay (6) vào (5) ta thu được cấu trúc bộ 
điều khiển dòng như sau: 
-1
i -2
I-z Φ
R =
1-z
 (7) 
Từ phương trình (7) ta viết phương trình 
sai phân bộ điều chỉnh dòng: 
w wy(k)= x (k)-Φx (k-1)+y(k-2) (8) 
Như vậy để thuận lợi cho quá trình tính 
toán phương trình bộ điều khiển dòng được viết 
qua 2 bước: 
Bước 1: Tính vector, y(k) theo (8) 
         
         
d wd wd wq d
L
q wq wd wq q
D
T
y k =x k - 1- x k-1 -ωTx k-1 +y k-2
T
T
y k =x k +ωTx k-1 - 1- x k-1 +y k-2
T
  
  
  

 
 
 
 (9) 
Bước 2: Tính vector điện áp ( )Su k theo (4) 
   
   
Sd d Ld
Sq q Lq
L T
u k+1 = y k + u (k+1)
T L
L T
u k+1 = y k + u (k+1)
T L
  
  
  

 
   
 (10) 
Đến đây, ta xây dựng được cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat như Hình 4. 
T=2e-4
L=2e-3H
R=0.05
usq
2
usd
1
z
1
z
1
Unit Delay 5
z
1
Unit Delay 4
z
1
Unit Delay 3
z
1
Unit Delay 2
z
1
Unit Delay 1
z
1
Unit Delay
z
1
T 1
-K-
T /Ld5
-K-
T /Ld4
-K-
T/Ld3
-K-
T /Ld2
-K-
T/Ld1
-K-
T/Ld
-K-
T
-K-
Product 1
Product
Phase correct
limitation
d
lim
q
dlim
qlim
Ld /T1
-K-
Ld /T
-K-
1/sqrt(3)
-K-
1-T/Td 1
-K-
1-T/Td
-K-
Enable
omega
8
Vdc
7
Unq
6
Und
5
id
4
iq
3
id *
2
iq *
1
Hình 4. Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
60 
2.3 Kết quả mô phỏng Hình 5, mô phỏng sơ 
đồ tác dụng của BESS trong mạng điện cục bộ 
với bộ điều khiển dòng kiểu Deat-Beat: 
- Khi đóng/cắt tải nặng: BESS bù công 
suất tác dụng P để giảm ứng suất cho máy phát, 
đồng thời bù công suất phản kháng Q để đảm 
bảo ổn định giá trị điện áp lưới. 
- Khi mất nguồn: BESS đóng vai trò 
nguồn thay thế với thời gian quá độ nhanh nhất. 
Để thấy được phương pháp Dead-Beat có 
tính động học cao hơn, ta nêu kết quả mô phỏng 
đồng thời so sánh với kết quả tương ứng của 
BESS có bộ điều khiển dòng kiểu PI,[2]. 
BESS
FRT
current control type
PC2
PC1
Subsystem1
85 kVA 400 V
A
B
C
Gate
a
b
c
Step 3
Step2
Source
A
B
C
a
b
c
MEASURE 2
Load
A
B
C
a
b
c
BESS CONTROLLER
gates
BESS A B C
a b c
1 km
(20+j3) kVA
A
B
C
(15+j2) kVA
A
B
C
(10+j1) kVA1
A
B
C
 2
com
A
B
C
a
b
c
 1
com
A
B
C
a
b
c
Hình 5. Sơ đồ BESS và mạng điện cục bộ 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Time (s)
Id
/ 
Id
-r
e
f 
( 
A
 )
Bo dieu chinh dòng kieu PI
Id-ref
Id
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Time (s)
Id
/ 
Id
-r
e
f 
( 
A
 )
Bo dieu chinh dòng kieu Dead-Beat
Id
Id-ref
Hình 6. Kết quả đo các thành phần dòng Id và Id-ref 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
-1
0
1
2
3
4
5
x 10
4
Time (s)
P
 (
 w
 )
Bo dieu chinh dòng kieu PI
P load
P source
P bess
 Thời gian quá độ (0,30,55)s 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
-1
0
1
2
3
4
5
x 10
4
Time (s)
P
 (
 W
 )
Bo dieu chinh dòng kieu Dead-Beat
P source
P loadP bess
P source
P load
 Thời gian quá độ(0,30,35)s 
Hình 7. Kết quả đo các thành phần công suất tác dụng P 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
61 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
-2
-1
0
1
2
3
x 10
4
Time (s)
Q
 (
 V
A
r 
)
Bo dieu chinh dòng kieu PI
Q source
Q load
Q bess
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
-2
-1
0
1
2
3
x 10
4
Time (s)
Q
 (
 V
A
r 
)
Bo dieu chinh dòng kieu Dead-Beat
Q load
Q source
Q bess
Hình 8. Kết quả đo các thành phần công suất phản kháng Q 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0
100
200
300
400
500
Time (s)
U
 s
ou
rc
e 
( 
V
 )
Bo dieu chinh dòng kieu PI
Thời gian quá độ 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0
100
200
300
400
500
Time (s)
U
 s
o
u
rc
e
 (
 V
 )
Bo dieu chinh dòng kieu deadbeat
Thời gian quá độ 
Hình 9. Kết quả đo giá trị hiệu dụng điện áp lưới 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
x 10
4
Time (s)
S
 (
 V
A
 )
Bo dieu chinh dong kieu PI
S-load & S-bess
S-bess
S-loadS-source
0.24 0.245 0.25 0.255 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
x 10
4
Time (s)
S
 (
 V
A
 )
Bo dieu chinh dong kieu Dead-Beat
S-source
S-load & S-bess
S-bess
S-load
Hình 10. Kết quả đo công suất tác dụng S khi mất nguồn 
2.4 Phân tích kết quả mô phỏng 
So sánh giữa hai kết quả thu được, ta 
thấy rõ bộ điều chỉnh Dead-Beat có tính động 
cao hơn bộ điều chỉnh PI. Cụ thể như sau: 
1- Tốc độ bám của dòng thực theo dòng đặt 
nhanh hơn, Hình 6 
2- Tại thời điểm 0,3s , cần huy động từ BESS 
tăng công suất tác dụng P thêm 10kW. BESS 
với bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat chỉ cần 
thời gian quá độ là 0,02s. Trong khi đó, với bộ 
điều chỉnh dòng điện kiểu PI cần 0,25s, Hình 7. 
3- Do tốc độ phục hồi điện áp nhanh hơn, nên 
với bộ điều chỉnh Deat-Beat, BESS phát bù một 
lượng công suất phản kháng Q nhỏ hơn (19 
kVAr). Trong khi đó, với bộ điều khiển PI thì 
BESS phải phát bù một lượng công suất phản 
kháng Q lớn hơn (23,5 kVAr), Hình 8. 
4- Khi tăng tải ở thời điểm 0,3s , điện áp lưới 
suy giảm khoảng 10%. Với bộ điều chỉnh dòng 
kiểu Deat-Beat thì BESS chỉ cần 0,04s để phục 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
62 
hồi điện áp lưới về giá trị ban đầu. Trong khi 
đó, với bộ điều chỉnh PI thì BESS phải cần 
0,2s, Hình 9. 
5- Trường hợp mất nguồn, BESS sẽ làm việc 
thay thế. Thời gian quá độ chỉ mất 0,015s đối 
với BESS có bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-
Beat. Trong khi đó, với BESS có bộ điều chỉnh 
dòng kiểu PI thì phải mất 0,6s (gấp 40 lần), 
Hình 10. 
III. KẾT LUẬN 
- Mô hình BESS với cấu trúc điều khiển có bộ 
điều chỉnh dòng điện kiểu Dead-Beat là một kết 
quả nghiên cứu khoa học khoa học có tính tân 
tiến. 
- Kết quả mô phỏng bằng Matlab cho thấy cấu 
trúc điều khiển này thỏa mãn các yêu cầu đặt ra 
với hệ BESS, cho đáp ứng động học của hệ 
thống nhanh, không có quá điều chỉnh. 
- Mô hình BESS có tính động học cao sẽ mang 
lại nhiều hứa hẹn cho việc khắc phục một số 
nhược điểm của nguồn điện cục bộ. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bhim Singh, Jitendra Solanki, Ambrish Chandra; Adaline Based Control of Battery Energy 
Storage System for Diesel Generator Set. 0-7803-9525-5/06/$20.00
©
2006 IEEE. 
2. Ngô Đức Minh; Ứng dụng BESS trong mạng điện cục bộ nguồn thủy điện công suất nhỏ; Báo cáo 
kết quả nghiên cứu lần 1, đề tài NCKH cấp bộ, (2009-2010). 
3. Nguyễn Phùng Quang; Truyền động điện thông minh; NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2004. 
4. Nguyễn Phùng Quang; Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát điện 
chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo đảm phân ly giữa mômen và hệ số công suất; Báo 
cáo khoa học tại VICA3,1998. 
Địa chỉ liên hệ: Ngô Đức Minh - Tel: 0982.286.428, Email: ngoducminh@tnut.edu.vn 
 Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên 
 Tích Lương, Thái Nguyên