Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời đang trở thành nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Tính đến cuối năm 2016, tổng công suất lắp đặt hệ thống điện mặt trời (PV) toàn cầu đạt khoảng 305 GW, trong đó phần lớn là hệ thống hòa lưới. Tỉnh An Giang, với tiềm năng bức xạ mặt trời trung bình năm từ 2000 đến 2600 giờ nắng, là vùng có điều kiện thuận lợi để phát triển điện mặt trời hòa lưới quốc gia. Tuy nhiên, việc tích hợp nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện truyền thống đặt ra thách thức lớn về ổn định hệ thống điện, do đặc tính phi tuyến của mảng PV và sự tương tác phức tạp giữa các bộ chuyển đổi năng lượng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá ổn định lưới điện hệ thống truyền tải điện (HTĐ) có tích hợp điện năng lượng mặt trời hòa lưới tại tỉnh An Giang, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn hệ thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện một pha hai giai đoạn gồm bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC, mô hình hóa đặc tính mảng PV và phân tích ổn định tĩnh, động của hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2017-2018, sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink để phân tích và đánh giá.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần phát triển năng lượng tái tạo tại An Giang, hỗ trợ tiết kiệm năng lượng cho các hộ tiêu thụ và cung cấp thêm nguồn điện cho lưới quốc gia, đồng thời nâng cao hiểu biết về ổn định hệ thống điện tích hợp năng lượng mặt trời trong điều kiện thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết ổn định hệ thống điện: Phân biệt ổn định tĩnh và ổn định động, sử dụng phương pháp dao động bé và phương pháp diện tích để đánh giá khả năng hệ thống lấy lại trạng thái cân bằng sau sự cố. Ổn định tĩnh được đánh giá qua tiêu chuẩn năng lượng, trong khi ổn định động sử dụng các phương pháp tích phân số như Euler và Runge-Kutta.

  • Mô hình mảng pin mặt trời (PV): Mô hình điện tử của pin PV bao gồm các tham số điện trở nối tiếp (Rs), điện trở song song (Rsh), dòng bão hòa và dòng quang điện, phản ánh đặc tính phi tuyến của mảng PV. Đặc tính V-I của pin phụ thuộc vào cường độ bức xạ và nhiệt độ, ảnh hưởng đến điểm công suất cực đại (MPP).

  • Mô hình bộ chuyển đổi năng lượng: Hệ thống hai giai đoạn gồm bộ chuyển đổi DC-DC để trích xuất công suất tối đa từ mảng PV và bộ chuyển đổi DC-AC để hòa lưới điện. Mô hình bao gồm các bộ nghịch lưu Buck, Boost và Buck-Boost, với các thuật toán điều khiển MPPT (thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O, thuật toán điện dẫn gia tăng INC).

  • Mô hình máy phát điện đồng bộ (SG): Sử dụng mô hình hai trục bậc bốn với các biến trạng thái góc rotor và tốc độ quay, mô tả động học máy phát trong hệ thống điện truyền thống.

  • Phương pháp mô hình mẫu quan sát biến đổi: Được áp dụng để chuyển đổi hệ thống một pha có tính biến đổi theo thời gian thành hệ thống bất biến thời gian, giúp phân tích ổn định bằng cách tính toán các giá trị riêng của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu khoa học, báo cáo ngành, biểu dữ liệu kỹ thuật của mảng PV và số liệu khí tượng thủy văn về bức xạ mặt trời tại An Giang.

  • Phương pháp mô hình hóa và phân tích: Xây dựng mô hình toán học tích hợp toàn bộ hệ thống PV hai giai đoạn một pha, bao gồm đặc tính mảng PV và bộ chuyển đổi DC-DC, DC-AC. Mô hình máy phát điện đồng bộ được tích hợp để mô phỏng tương tác với lưới điện.

  • Phương pháp phân tích ổn định: Sử dụng phương pháp tính toán giá trị riêng (eigenvalues) của hệ thống bất biến thời gian để đánh giá ổn định tĩnh và động. Các phương pháp tích phân số như Runge-Kutta được dùng để mô phỏng động học hệ thống.

  • Phần mềm sử dụng: Matlab/Simulink được dùng để mô phỏng hệ thống, phân tích dữ liệu và trực quan hóa kết quả bằng biểu đồ và bảng số liệu.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 2 đến tháng 10 năm 2018, bao gồm thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của đặc tính phi tuyến mảng PV đến ổn định hệ thống: Mô hình tích hợp đặc tính điện trở nối tiếp và song song của mảng PV cho thấy sự biến đổi điện áp và dòng điện đầu ra phụ thuộc mạnh vào cường độ bức xạ và nhiệt độ. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp hở mạch VOC thay đổi ±10% khi nhiệt độ thay đổi từ 25°C đến 45°C, ảnh hưởng trực tiếp đến điểm công suất cực đại.

  2. Tác động của bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC đến ổn định hệ thống: Việc kết nối hai bộ chuyển đổi theo tầng tạo ra các trạng thái phức tạp, bao gồm hiện tượng phân nhánh và hỗn loạn. Phân tích giá trị riêng cho thấy hệ thống có thể duy trì ổn định nếu các tham số điều khiển bộ chuyển đổi được tối ưu, với tỉ lệ ổn định đạt khoảng 85% trong các kịch bản mô phỏng.

  3. Đánh giá ổn định tĩnh và động của lưới điện An Giang tích hợp PV: Qua mô phỏng sơ đồ đơn tuyến lưới điện An Giang, hệ thống duy trì ổn định tĩnh với biên độ dao động góc rotor dưới 5 độ sau sự cố ngắn mạch. Ổn định động được đảm bảo khi thời gian cắt ngắn mạch không vượt quá 150 ms, giảm thiểu nguy cơ mất đồng bộ máy phát.

  4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả phù hợp với các báo cáo ngành về tính ổn định của hệ thống PV hòa lưới, đồng thời bổ sung thêm mô hình quan sát biến đổi giúp xử lý hệ thống một pha không cân bằng, điều mà các nghiên cứu trước đây chưa khai thác triệt để.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến động trong hệ thống là do đặc tính phi tuyến và biến đổi theo thời gian của mảng PV, cùng với sự tương tác phức tạp giữa các bộ chuyển đổi năng lượng. Việc áp dụng mô hình mẫu quan sát biến đổi giúp chuyển đổi hệ thống thành dạng bất biến thời gian, từ đó sử dụng các công cụ phân tích ổn định tuyến tính truyền thống một cách hiệu quả.

Kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink được trình bày qua các biểu đồ dao động góc rotor, điện áp và dòng điện đầu ra, minh họa rõ ràng sự ổn định hoặc bất ổn của hệ thống dưới các điều kiện vận hành khác nhau. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng mô hình nguồn điện áp hoặc dòng không đổi, mô hình tích hợp đặc tính mảng PV và bộ chuyển đổi hai tầng cho kết quả thực tiễn và chính xác hơn.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời hòa lưới tại An Giang, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo, giảm chi phí vận hành và tăng cường an toàn hệ thống điện quốc gia.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tham số điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC: Áp dụng các thuật toán MPPT tiên tiến và điều chỉnh tham số điều khiển nhằm duy trì ổn định điện áp và dòng điện đầu ra, giảm thiểu dao động và hiện tượng hỗn loạn. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: các nhà nghiên cứu và kỹ sư vận hành hệ thống.

  2. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển tự động: Triển khai hệ thống giám sát trực tuyến để phát hiện sớm các bất thường về điện áp, dòng điện và nhiệt độ mảng PV, từ đó tự động điều chỉnh hoặc ngắt kết nối khi cần thiết. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: công ty điện lực và đơn vị phát triển công nghệ.

  3. Nâng cao chất lượng và độ bền của mảng PV: Sử dụng các loại pin mặt trời có hiệu suất cao và khả năng chịu nhiệt tốt, đồng thời thiết kế hệ thống chống bóng mờ và bảo vệ điốt để giảm tổn thất công suất. Thời gian thực hiện: 18 tháng; Chủ thể: nhà sản xuất và nhà đầu tư dự án.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành và bảo trì hệ thống điện mặt trời hòa lưới, tập trung vào các kỹ thuật phân tích ổn định và xử lý sự cố. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp mô hình toán học và phương pháp phân tích ổn định hệ thống điện tích hợp năng lượng mặt trời, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển đề tài liên quan.

  2. Kỹ sư vận hành và quản lý hệ thống điện: Tham khảo để hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định lưới điện khi tích hợp nguồn năng lượng tái tạo, từ đó áp dụng các giải pháp vận hành hiệu quả.

  3. Nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực tiễn để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo, đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững.

  4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Giúp đánh giá hiệu quả và rủi ro khi đầu tư vào các dự án điện mặt trời hòa lưới, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý và chiến lược phát triển dài hạn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần đánh giá ổn định hệ thống điện khi tích hợp năng lượng mặt trời?
    Ổn định hệ thống đảm bảo lưới điện duy trì hoạt động bình thường sau các sự cố hoặc biến động, tránh mất điện diện rộng và hư hỏng thiết bị. Năng lượng mặt trời có đặc tính biến đổi và phi tuyến, gây ảnh hưởng đến ổn định hệ thống nếu không được kiểm soát tốt.

  2. Mô hình toán học nào được sử dụng để mô phỏng hệ thống PV hòa lưới?
    Luận văn sử dụng mô hình tích hợp đặc tính mảng PV với các tham số điện trở nối tiếp, song song, cùng mô hình bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC hai tầng, kết hợp mô hình máy phát điện đồng bộ để mô phỏng tương tác với lưới.

  3. Phương pháp nào giúp phân tích ổn định hệ thống một pha biến đổi theo thời gian?
    Phương pháp mô hình mẫu quan sát biến đổi được áp dụng để chuyển hệ thống một pha thành hệ thống bất biến thời gian, từ đó sử dụng công cụ phân tích giá trị riêng để đánh giá ổn định.

  4. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn đến ổn định hệ thống điện tích hợp PV?
    Đặc tính phi tuyến của mảng PV, biến đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ, sự tương tác giữa bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC, cũng như thời gian cắt ngắn mạch và cấu trúc lưới điện địa phương.

  5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả và ổn định của hệ thống điện mặt trời hòa lưới?
    Tối ưu hóa thuật toán điều khiển MPPT, cải tiến thiết kế bộ chuyển đổi, sử dụng pin mặt trời chất lượng cao, xây dựng hệ thống giám sát tự động và đào tạo nhân lực vận hành chuyên nghiệp.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng mô hình tích hợp đặc tính mảng PV và bộ chuyển đổi hai tầng, mô phỏng hệ thống điện mặt trời hòa lưới một pha tại An Giang, sử dụng phương pháp mẫu quan sát biến đổi để phân tích ổn định.

  • Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có thể duy trì ổn định tĩnh và động trong các điều kiện vận hành thực tế, với các tham số điều khiển phù hợp.

  • Nghiên cứu đã xác định các yếu tố ảnh hưởng chính đến ổn định hệ thống, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm nâng cao hiệu quả vận hành.

  • Luận văn góp phần bổ sung kiến thức về ổn định hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo, hỗ trợ phát triển bền vững ngành năng lượng tại Việt Nam.

  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm mô hình điều khiển, mở rộng nghiên cứu cho hệ thống đa pha và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo khác.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vận hành nên áp dụng mô hình và giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện mặt trời hòa lưới, góp phần phát triển năng lượng sạch và bền vững.