CHƯƠNG 1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Năng lượng tái tạo đang có sự phát triển mạnh mẽ [1] do tính bền vững và thân thiện với môi trường trong khi tiềm năng vô cùng lớn [2]. Trong vài năm qua, năng lượng tái tạo trên thế giới có mức tăng 30% mỗi năm so với mức tăng của năng lượng từ than đá và than bùn. Thêm vào đó, pin mặt trời với giá thành ngày càng giảm cũng làm cho các nước Châu Á – Thái Bình Dương (đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ) với mức tiêu thụ năng lượng nhiều nhất thế giới đã có những chính sách tăng ứng dụng năng lượng tái tạo trong tương lai. Điều này làm cho năng lượng tái tạo ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn, cụ thể qua khảo sát [3] cho thấy rằng mức đầu tư cho năng lượng tái tạo ngày càng cao như hình 1.1: Mức đầu tư điện gió và mặt trời của thế giới Tại Việt Nam, theo điều chỉnh quy hoạch điện VII, đến năm 2020, công suất đặt của hệ thống điện quốc gia đạt 60.500 MW, trong đó, năng lượng tái tạo và thủy điện nhỏ chiếm 10%.
Năm 2025, công suất đặt đạt 95.400 MW và đạt 129. Thêm vào đó, nhằm xã hội hóa ngành điện để giảm sự đầu tư của nhà nước, thị trường điện Việt Nam sẽ xuất hiện thêm các công ty mua bán điện, các công ty xây dựng đường dây mới và các công ty sản xuất nguồn điện phân tán trong mạng điện phân phối. Để nâng cao hiệu quả cung cấp điện và giảm chi phí bồi thường cho 1 Luan van Trần Quang Thọ khách hàng hay hộ tiêu thụ khi bị mất điện, các nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng nhiều và đòi hỏi chất lượng điện năng ngày càng cao. Mặc dù thân thiện với môi trường và khả năng vô cùng lớn, nhưng nhược điểm của năng lượng tái tạo là bị loãng và không liên tục.
Do đó, nó cần được nối lưới để đảm bảo một nguồn điện có chất lượng cao với chi phí rẻ. Để biến đổi và hòa đồng bộ nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào trong hệ thống điện, thường có hai dạng kết nối lưới cơ bản [1]: Phát điện trực tiếp lên lưới dùng máy điện quay đồng bộ hoặc không đồng bộ (đối với tua bin gió). Phát điện dùng nghịch lưu gián tiếp hoặc trực tiếp (đối với điện gió và điện mặt trời). Cấu trúc của một hệ hệ thống điện năng lượng tái tạo nối lưới được thể hiện trên hình 1.2: Hệ thống điện gió dùng máy phát không đồng bộ [1] 2 Luan van Trần Quang Thọ Vg Lg Li Vi Dàn pin mặt trời Nghịch + Cdc lưu - Ia Ib Ic Nguồn Điều lưới Va Vb vc Cf abc Điều chế Sóng khiển Vòng khóa PWM mang Idc chống pha I I V*abc cô lập Dò công Vdc I abc suất cực Vmax f q đại I* Bộ điều V* - Biểu Iq_ref =0 khiển Vmppt Vmax + đồ Q dq dòng + I - Id_ref I* - Bộ điều V* Bộ điều khiển khiển DC + dòng Hình 1.3: Cấu trúc của một hệ thống điện mặt trời nối lưới [4] 1.2 CÁC TIÊU CHUẨN NỐI LƯỚI Đa số các nguồn điện phân tán DG (Distributed Generation) sử dụng năng lượng tái tạo đều có hệ thống nghịch lưu để nối lưới.
Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lưới này lại là một trong những thiết bị phát sóng hài đáng kể lên lưới điện và ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện [5]. Do đó, chúng có tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng của hệ thống điện. Vì vậy, để đảm bảo an toàn trong vận hành và truyền tải điện năng, các tiêu chuẩn chất lượng điện năng đã được các cơ quan vận hành hệ thống điện ban hành như: IEEE-929 (2000) [6]; IEEE-1547 (2009) [7]-[5] của Mỹ; tiêu chuẩn IEC 62116 (2005) về cô lập DG; IEC 61727 (2007); các tiêu chuẩn EN 50160 ở châu Âu; VDE 0126 (2006) của Đức; thông tư 39 BCT (2015) của Bộ Công thương Việt Nam…, trong đó, các tiêu chuẩn về tần số khi kết nối lưới (phụ lục 1-1), giới hạn sóng hài và tổng trở bộ lọc cũng rất nghiêm ngặt đối với thiết bị nối lưới. Trong khi đó, các phương pháp nâng cao chất lượng hòa đồng bộ cho nghịch lưu nối lưới đã được công bố gần đây cho thấy hiệu quả chưa cao.
3 Luan van Trần Quang Thọ Như vậy, để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt và góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện, cần phải có các nghiên cứu sâu hơn để nâng cao chất lượng hòa đồng bộ cho các bộ nghịch lưu nối lưới.3 CÁCH TIẾP CẬN Các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng phát triển do giá thành ngày càng rẻ và thân thiện với môi trường trong khi tiềm năng vô cùng lớn. Do các nguồn năng lượng tái tạo thường sử dụng nghịch lưu để nối lưới, khi đó, sóng hài sẽ sinh ra trong quá trình chuyển mạch của các linh kiện bán dẫn công suất để chuyển từ dòng điện một chiều sang xoay chiều. Việc nâng cao chất lượng hòa đồng bộ nghịch lưu nối lưới sẽ góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện. Dựa vào hình 1.3 cho thấy vai trò của vòng khóa pha (PLL) đối với việc điều khiển nghịch lưu nối lưới.
Sai số của các tham số ước lượng được của điện áp lưới như biên độ, tần số, góc pha tại tần số cơ bản trong quá trình đồng bộ do sai số cảm biến cũng như dao động của điện áp lưới sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu điều chế. Độ chính xác này thường phụ thuộc vào chất lượng của vòng khóa pha. Một bộ PLL được đánh giá có chất lượng khi xác định một cách nhanh chóng và chính xác các tham số của điện áp lưới ở tần số cơ bản. Do đó, việc nghiên cứu hòa đồng bộ để các DG làm việc bền vững trong các điều kiện khắc nghiệt của lưới điện như có sự cố sụt áp, mất cân bằng pha, có sóng hài cao, dao động tần số… sẽ góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện.
Việc xác định nhanh và chính xác các tham số: biên độ, tần số và góc pha của điện áp lưới là một trong những yếu tố quan trọng hàng đầu để đảm bảo các nghịch lưu nối lưới vận hành ổn định. Các tham số này không những phục vụ cho quá trình hòa đồng bộ của nghịch lưu với lưới điện mà còn góp phần nâng cao khả năng trải qua sự cố FRT (Fault-Ride Through) theo các tiêu chuẩn nối lưới mới [6], [7] để nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện. 4 Luan van Trần Quang Thọ Bảng 1.1: Các hiện tượng nhiễu của điện áp lưới thông thường (Thomsen, CIGRE WG14-31, 1999) Disturbance Origin Consequences Voltage sag, Short circuits in the network Disconnection of sensi- Under-voltage grid passing or on another tive loads 2.2 radial Fail function Start-up of large motors Voltage swell Earth fault on another phase Ageing of insolation Overvoltage Shut down of large loads Disconnection of equip- 2.3 Lightning strike on network ment structure May harm equipment Incorrect setting in substa- with inadequate design tion margins Harmonic distortion Nonlinear loads Extended heating 5.3 Resonance-phenomena Fail function of elec- Transformer saturation tronic equipment Notches Transients Lightning strike Insulation failure 1.2 Switching event Reduced lifetime of transformers, motors, ect. Voltage- fluctua- Arc furnaces Ageing of insulation tions/ flicker Sawmill, crushing mill Fail function 6.0 Welding, wind turbines Flicker Start-up of large motors Short duration inter- Direct short circuit Disconnection ruptions Disconnection 2.1 False tripping Disconnection Load shedding Unbalanced One phase loads Voltage quality for over- 4.0 Weak connections in the loaded phase network Overload and noise from 3-phase equipment Trong điều kiện vận hành bình thường thì việc xác định các tham số điện áp lưới ở tần số cơ bản từ một dạng sóng sin không có nhiễu hài là tương đối dễ dàng [8].
Tuy nhiên, các tham số của điện áp lưới ngõ vào thực tế của các nghịch lưu nối lưới như bảng 1.1 thường thay đổi như là dao động điện áp, dao động tần số, mất cân bằng, sóng hài cao, điện áp lệch DC sinh ra do quá trình đo lường hay biến đổi kiểu dữ liệu. Do đó, việc xác định nhanh và chính xác các tham số của điện áp lưới trong điều kiện khắc nghiệt của thực tế để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt là rất khó khăn [1], [8]–[13]. Ngoài ra, đối với tiêu chuẩn IEEE-1547 trước năm 2008 yêu cầu cắt nghịch lưu khi tần số lưới ngoài phạm vi cho phép trong vòng 0,16 s, trong khi tiêu chuẩn IEEE- 1547 từ 2012 đến nay lại yêu cầu cắt tức thời. Điều này đòi hỏi PLL phải ước lượng 5 Luan van Trần Quang Thọ nhanh, bởi vì thời gian cắt bao gồm thời gian ước lượng tham số lưới để ra quyết định cắt và thời gian tác động của thiết bị chấp hành.
Thêm vào đó, độ vọt lố yêu cầu phải rất thấp. Bởi vì, nếu độ vọt lố cao làm cho tần số rơi vào phạm vi phải cắt tức thời, lúc đó DG bị cô lập ngay lập tức và không có khả năng hỗ trợ ổn định hệ thống. Các nhóm phương pháp thường dùng để xác định các tham số của điện áp lưới bao gồm dò trong miền tần số và dò trong miền thời gian. Nhóm phương pháp dò trong miền tần số thường dựa vào biến đổi Fourier rời rạc hoặc lọc thích nghi kết hợp với Fourier rời rạc hồi qui (tuy nhiên, trong báo cáo này không trình bày các phương pháp này vì ít được sử dụng do độ chính xác và đáp ứng động thấp).
Nhóm phương pháp dò trong miền thời gian thường dựa vào vòng khóa pha. PLL đã được sử dụng nhiều trong quân sự, viễn thông, không gian cũng như các hệ thống điện tử dân dụng. Tuy nhiên, trong nghịch lưu nối lưới, PLL có vai trò hòa đồng bộ và có những yêu cầu riêng về sai số xác lập và đáp ứng động cũng như độ vọt lố.4 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1 Phương pháp PLL thông thường vSa vSd vSd vˆ S vSb v Sc T v dq Sq 1 q PI s qˆ Hình 1.4: PLL sử dụng phương pháp thông thường. Trong hệ thống điện ba pha khi chuyển sang biến đổi Park ở hình 1.4, thành phần dq phải bao gồm thành phần thứ tự thuận và nghịch như (1.
Khi ba pha cân bằng như hình 1.5 thì việc đồng bộ cho nghịch lưu nối lưới tương đối dễ dàng. Vì trong phép biến đổi dq không chứa thành phần thứ tự nghịch trong (1.