Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu hiện đạt khoảng 15 nghìn tỷ Watt, trong đó 85% đến từ các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu hỏa (37%), than đá (25%) và khí đốt (23%). Tuy nhiên, các nguồn này đang dần cạn kiệt và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường như hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm. Việt Nam, với vị trí địa lý gần xích đạo, có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với cường độ bức xạ trung bình từ 4 đến 5 kWh/m²/ngày và số giờ nắng trung bình từ 1700 đến 2500 giờ mỗi năm. Công suất lắp đặt điện từ năng lượng tái tạo tại Việt Nam đã tăng từ 30 MW năm 2011 lên khoảng 8,36 GW năm 2017, chủ yếu là năng lượng mặt trời.

Hệ thống pin mặt trời (PV) kết nối lưới điện phân phối ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm cung cấp điện sạch, giảm tổn thất năng lượng và tăng độ tin cậy cung cấp điện. Tuy nhiên, việc kết nối này cũng gây ra các ảnh hưởng tiêu cực như sóng hài, dao động công suất, quá áp và các vấn đề an toàn. Sóng hài đặc biệt là một trong những thách thức lớn, gây méo dạng điện áp và dòng điện, làm giảm tuổi thọ thiết bị và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống PV kết nối lưới điện phân phối bằng phần mềm Matlab/Simulink, đánh giá tác động của sóng hài do hệ thống PV gây ra trên lưới điện mẫu IEEE 13 nút, đồng thời đề xuất giải pháp lọc sóng hài hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng sóng hài trong giai đoạn từ 2011 đến 2020 tại các hệ thống điện phân phối có kết nối PV tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điện năng và phát triển bền vững hệ thống điện phân phối tích hợp năng lượng tái tạo.

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 sóng hài và méo dạng tín hiệu: Sóng hài là các thành phần sóng sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (50 Hz). Hệ số méo dạng tổng (THD) được sử dụng để đánh giá mức độ méo dạng của điện áp và dòng điện do sóng hài gây ra.

  • Mô hình hệ thống PV kết nối lưới: Bao gồm mô hình pin mặt trời, bộ biến đổi DC-DC (Boost converter) với thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT), bộ biến đổi DC-AC (inverter) và mô hình lưới điện phân phối IEEE 13 nút.

  • Tiêu chuẩn giới hạn sóng hài: Áp dụng tiêu chuẩn IEEE std 519 và IEC 1000-3-4 để giới hạn mức sóng hài cho phép trên lưới điện nhằm đảm bảo chất lượng điện năng.

Các khái niệm chính bao gồm: sóng hài bậc cao, điểm công suất cực đại (MPP), thuật toán MPPT, bộ lọc sóng hài thụ động, và mô hình lưới điện phân phối.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình toán học và mô phỏng hệ thống PV kết nối lưới điện. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm hệ thống lưới điện mẫu IEEE 13 nút với các thông số máy biến áp, đường dây và phụ tải được chuẩn hóa. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng kịch bản kết nối PV vào lưới đơn giản và lưới IEEE 13 nút nhằm đánh giá ảnh hưởng sóng hài trong các điều kiện khác nhau.

Phân tích dữ liệu dựa trên các chỉ số sóng hài tổng (THDv) và sóng hài dòng điện, so sánh mức độ sóng hài trước và sau khi lắp đặt bộ lọc sóng hài thụ động. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 7 năm 2020, bao gồm các bước: xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng sóng hài khi kết nối PV vào lưới đơn giản: Mô phỏng cho thấy khi kết nối hệ thống PV với công suất đầu ra khoảng 5 kW vào lưới đơn giản, hệ số méo dạng điện áp THDv tăng từ khoảng 1,2% lên 4,5%, vượt mức giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn IEEE std 519 (3% đối với điện áp dưới 69 kV).

  2. Ảnh hưởng sóng hài trên lưới IEEE 13 nút: Khi kết nối PV vào lưới điện phân phối IEEE 13 nút, THDv tại các nút gần nguồn PV tăng lên trung bình 6,8%, trong khi các nút xa nguồn có THDv thấp hơn khoảng 3,5%. Điều này cho thấy sóng hài tập trung tại khu vực gần nguồn PV.

  3. Hiệu quả của bộ lọc sóng hài thụ động: Sau khi lắp đặt bộ lọc thông thấp thụ động tại đầu ra của nguồn PV, THDv giảm đáng kể, từ 6,8% xuống còn khoảng 2,1% trên lưới IEEE 13 nút, đảm bảo nằm trong giới hạn tiêu chuẩn. Tương tự, sóng hài dòng điện cũng giảm từ 7,5% xuống 2,8%.

  4. So sánh các kịch bản kết nối: Kết nối PV vào lưới điện có điện áp thấp hơn gây ra mức sóng hài cao hơn so với kết nối vào lưới điện áp cao, do điện áp thấp làm tăng dòng điện sóng hài và ảnh hưởng đến các thiết bị bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sóng hài là do bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ thống PV, đặc biệt là bộ biến đổi DC-AC chuyển đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều không hoàn toàn chuẩn sin. Sóng hài bậc cao gây ra méo dạng điện áp và dòng điện, làm tăng tổn thất điện năng, giảm tuổi thọ thiết bị và gây nhiễu cho các thiết bị điện tử khác.

Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, cho thấy sóng hài tập trung tại khu vực gần nguồn PV và giảm dần theo khoảng cách. Việc sử dụng bộ lọc thụ động là giải pháp hiệu quả, đơn giản và kinh tế để giảm sóng hài, đồng thời nâng cao chất lượng điện năng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ THDv tại các nút lưới trước và sau khi lắp bộ lọc, bảng tổng hợp giá trị THDv và THDi theo từng kịch bản, giúp trực quan hóa hiệu quả giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt bộ lọc sóng hài thụ động tại đầu ra nguồn PV: Giải pháp này giúp giảm đáng kể sóng hài, đảm bảo THDv và THDi nằm trong giới hạn tiêu chuẩn. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các nhà cung cấp thiết bị và đơn vị vận hành lưới điện.

  2. Áp dụng tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt cho thiết bị biến đổi điện tử công suất: Yêu cầu các nhà sản xuất thiết bị PV tuân thủ các tiêu chuẩn về sóng hài nhằm giảm phát sinh sóng hài ngay từ nguồn. Thời gian áp dụng trong 1-2 năm, do cơ quan quản lý nhà nước và các tổ chức tiêu chuẩn thực hiện.

  3. Tăng cường giám sát và phân tích sóng hài trên lưới điện phân phối: Sử dụng hệ thống đo đạc và phân tích sóng hài tự động để phát hiện và xử lý kịp thời các vấn đề sóng hài. Thời gian triển khai trong 12 tháng, do các công ty điện lực và đơn vị vận hành lưới điện đảm nhiệm.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về ảnh hưởng sóng hài và biện pháp xử lý cho nhân viên vận hành lưới điện nhằm nâng cao hiệu quả quản lý chất lượng điện năng. Thời gian thực hiện liên tục, do các viện đào tạo và công ty điện lực phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia hệ thống điện: Nghiên cứu mô hình và giải pháp xử lý sóng hài giúp nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống điện phân phối có kết nối PV.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo các kết quả đánh giá tác động sóng hài để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

  3. Các nhà sản xuất và cung cấp thiết bị PV: Áp dụng kiến thức về sóng hài và bộ lọc để cải tiến sản phẩm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và nâng cao chất lượng điện năng.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến hệ thống điện và năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sóng hài là gì và tại sao nó quan trọng trong hệ thống điện?
    Sóng hài là các thành phần sóng sin có tần số bội số nguyên của tần số cơ bản, gây méo dạng điện áp và dòng điện. Sóng hài ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị, tăng tổn thất điện năng và làm giảm chất lượng điện năng.

  2. Tại sao hệ thống PV lại sinh ra sóng hài?
    Nguyên nhân chính là bộ biến đổi điện tử công suất (inverter) chuyển đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều không hoàn toàn chuẩn sin, tạo ra sóng hài bậc cao.

  3. Bộ lọc sóng hài thụ động hoạt động như thế nào?
    Bộ lọc thụ động sử dụng các linh kiện điện tử như cuộn cảm và tụ điện để loại bỏ hoặc giảm các thành phần sóng hài, giúp tín hiệu điện áp và dòng điện trở nên gần dạng sin hơn.

  4. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để giới hạn sóng hài trên lưới điện?
    Tiêu chuẩn IEEE std 519 và IEC 1000-3-4 là các tiêu chuẩn quốc tế phổ biến quy định giới hạn sóng hài điện áp và dòng điện nhằm đảm bảo chất lượng điện năng.

  5. Làm thế nào để theo dõi và kiểm soát sóng hài trong hệ thống điện?
    Sử dụng thiết bị đo sóng hài chuyên dụng và hệ thống giám sát tự động để phát hiện mức sóng hài, kết hợp với các biện pháp xử lý như lắp đặt bộ lọc và điều chỉnh thiết bị biến đổi công suất.

Kết luận

  • Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng với tiềm năng lớn tại Việt Nam, góp phần giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch.
  • Hệ thống PV kết nối lưới điện phân phối gây ra sóng hài làm giảm chất lượng điện năng và ảnh hưởng đến thiết bị điện.
  • Mô hình mô phỏng bằng Matlab/Simulink cho thấy sóng hài tăng đáng kể khi kết nối PV, đặc biệt tại các nút gần nguồn PV.
  • Bộ lọc sóng hài thụ động là giải pháp hiệu quả, giảm THDv và THDi xuống mức cho phép theo tiêu chuẩn quốc tế.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế bộ lọc, áp dụng tiêu chuẩn kỹ thuật và nâng cao giám sát sóng hài trên lưới điện phân phối.

Để đảm bảo chất lượng điện năng và phát triển bền vững hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo, các đơn vị vận hành và quản lý cần phối hợp thực hiện các giải pháp đề xuất. Hãy bắt đầu áp dụng các biện pháp kiểm soát sóng hài ngay hôm nay để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện phân phối.