Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời chiếm tỷ trọng quang năng hữu ích lên đến 49.6% trong phổ bức xạ tác động lên bề mặt trái đất, trở thành giải pháp cốt lõi thay thế nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, việc tích hợp nguồn điện quang điện vào lưới điện quốc gia đối mặt với hai thách thức kỹ thuật lớn: tính bất định của công suất ngõ ra DC do phụ thuộc vào cường độ bức xạ và nhiệt độ, cùng với chất lượng điện năng kém do sóng hài bậc cao từ các bộ nghịch lưu truyền thống gây ra với độ méo sóng hài thường vượt mức 12%.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán mô hình hóa và điều khiển hệ thống pin quang điện hòa lưới không sử dụng bộ lưu trữ ắc quy, hướng tới mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất phát điện và nâng cao chất lượng điện năng hòa lưới. Nghiên cứu xác lập ba mục tiêu cụ thể: xây dựng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại dựa trên logic mờ cho bộ biến đổi điện áp một chiều Buck-Boost, thiết kế cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc lai 5 bậc kết hợp kỹ thuật điều chế độ rộng xung tiên tiến, và thiết lập thuật toán đồng bộ pha chính xác giữa điện áp nghịch lưu với lưới điện ba pha 380V.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện từ tháng 6 năm 2013 đến tháng 12 năm 2013 tại Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh với sự phối hợp dữ liệu thực tế từ Công ty Điện lực Gia Định. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu độ méo dạng sóng hài dòng điện xuống dưới mức tiêu chuẩn 5%, nâng cao hệ số công suất vận hành tiệm cận 0.99, đồng thời loại bỏ hoàn toàn hiện tượng dòng một chiều xâm nhập vào lưới điện phân phối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng mô hình mạch điện tương đương một diode của tế bào quang điện, tích hợp ảnh hưởng của điện trở nối tiếp Rs và điện trở song song Rp để mô tả chính xác đặc tính dòng điện và điện áp phi tuyến. Phương trình dòng điện quang điện xác định sự phụ thuộc chặt chẽ vào độ rọi quang học và hệ số nhiệt độ dòng ngắn mạch 500 microampe trên một độ C cùng hệ số nhiệt độ điện áp hở mạch 5 milivon trên một độ C.

Lý thuyết biến tần đa bậc lai được ứng dụng bằng cách kết hợp một bộ nghịch lưu ba pha ba bậc dạng diode kẹp với một bộ nghịch lưu hai bậc. Cấu trúc lai này cho phép tổng hợp điện áp ngõ ra 5 bậc với số lượng linh kiện van bán dẫn tối ưu, giảm ứng suất điện áp đặt lên từng khóa chuyển mạch bán dẫn.

Lý thuyết điều khiển logic mờ được thiết lập cho bộ điều khiển công suất cực đại với cấu trúc hai ngõ vào gồm sai số công suất E và độ biến thiên sai số CE, tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ số chu kỳ đóng ngắt D cho mạch biến đổi Buck-Boost. Bốn khái niệm học thuật cốt lõi xuyên suốt công trình gồm: điểm công suất cực đại MPP, tổng biến dạng sóng hài dòng điện THD, kỹ thuật điều chế độ rộng xung bố trí cùng pha PD-PWM và điểm kết nối chung PCC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu mô phỏng sử dụng các thông số kỹ thuật chuẩn của mô-đun pin quang điện EC-110-G gồm 36 tế bào quang điện mắc nối tiếp, điện áp hở mạch 21.6V ở điều kiện tiêu chuẩn bức xạ 1000W/m2 và nhiệt độ 25 độ C. Cỡ mẫu khảo sát gồm chuỗi 5 kịch bản bức xạ quang học biến thiên từ 200W/m2, 400W/m2, 600W/m2, 800W/m2 đến 1000W/m2 nhằm kiểm tra toàn diện khả năng thích ứng động của hệ thống.

Phương pháp lựa chọn tham số mô phỏng dựa trên nguyên tắc quét dải biến thiên thực tế của bức xạ nhiệt đới tại miền Nam Việt Nam. Tần số sóng mang điều chế được chọn cố định ở mức 6 kHz để cân bằng giữa việc giảm tổn hao đóng cắt của van bán dẫn và tối ưu hóa khả năng lọc sóng hài bậc cao.

Phương pháp phân tích toán học kết hợp mô phỏng số trên phần mềm MATLAB/Simulink được lựa chọn vì khả năng mô hình hóa chính xác các hiện tượng quá độ điện từ phức tạp trong hệ thống điện tử công suất. Phép phân tích phổ biến đổi Fourier nhanh FFT được triển khai để định lượng biên độ sóng hài từ bậc 2 đến bậc 10. Tiến độ nghiên cứu diễn ra liên tục trong 6 tháng, từ khâu xây dựng phương trình giải tích đến mô phỏng kiểm chứng tính đồng bộ tại điểm kết nối chung.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại bằng logic mờ FLC chứng minh tính vượt trội hoàn toàn so với thuật toán xáo trộn và quan sát P&O truyền thống. Khi cường độ bức xạ thay đổi đột ngột từ 400W/m2 lên 1000W/m2, thuật toán FLC giúp thời gian xác lập công suất cực đại nhanh hơn 35%, đồng thời triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng dao động biên độ quanh điểm làm việc tối ưu.

Cấu trúc bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất tạo ra dạng sóng điện áp ngõ ra dạng bậc thang mịn, giúp suy giảm tổng độ méo sóng hài dòng điện THD xuống mức 2.5% tại điểm kết nối chung. Kết quả này vượt trội so với bộ nghịch lưu ba bậc thông thường có mức THD lên tới 12.8%, đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn kết nối lưới IEEE 519 quy định THD dòng điện phải dưới 5%.

Dạng sóng dòng điện ba pha bơm vào lưới đạt dạng hình sin chuẩn, cùng pha với điện áp lưới tại điểm kết nối chung với hệ số công suất đo được đạt 0.99. Hệ thống bảo đảm tính đồng bộ tuyệt đối về tần số 50Hz và biên độ điện áp với lưới điện phân phối.

Mô hình mạch trung gian kết hợp máy biến áp cách ly ghép tầng đã ngăn chặn triệt để thành phần dòng điện một chiều DC không mong muốn rò rỉ vào lưới xoay chiều, loại bỏ nguy cơ gây bão hòa từ trường máy biến áp phân phối.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của bộ nghịch lưu lai 5 bậc bắt nguồn từ khả năng phân chia mức điện áp DC thành 5 bậc riêng biệt gồm các mức điện áp âm, dương và mức không. Việc tăng số bậc điện áp giúp giảm tốc độ biến thiên điện áp dv/dt, từ đó giảm thiểu đáng kể tổn hao đóng cắt trên các khóa bán dẫn và thu nhỏ kích thước bộ lọc đầu ra so với các cấu trúc biến tần tập trung cũ.

So với các công bố khoa học trước đây về bộ nghịch lưu 3 bậc một pha, giải pháp nghịch lưu lai ba pha 5 bậc khắc phục được tình trạng mất cân bằng điện áp trên các tụ điện DC phân chia, đồng thời hạn chế tối đa dòng điện thứ tự không phát sinh trong hệ thống nối lưới.

Dữ liệu mô phỏng được minh họa rõ nét qua biểu đồ phổ tần số Fourier FFT, cho thấy các thành phần sóng hài bậc cao từ bậc 3, bậc 5 đến bậc 9 đều suy giảm tiệm cận về mức 0%. Đồng thời, đồ thị đáp ứng động của điện áp và dòng điện trên các pha A, B, C tại điểm kết nối chung PCC hiển thị sự trùng khớp góc pha hoàn hảo giữa nguồn phát quang điện và lưới điện ba pha.

Đề xuất và khuyến nghị

Tích hợp giải thuật điều khiển công suất cực đại bằng logic mờ FLC vào vi điều khiển DSP cho các bộ biến đổi Buck-Boost thương mại, nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi năng lượng mặt trời đạt trên 98% trong vòng 12 tháng tới do các doanh nghiệp chế tạo thiết bị điện tử công suất thực hiện.

Triển khai ứng dụng cấu trúc biến tần đa bậc lai 5 bậc cho các trạm điện mặt trời áp mái công nghiệp quy mô từ 50 kWp đến 500 kWp, nhằm duy trì độ méo sóng hài dòng điện hòa lưới dưới ngưỡng 3%, thực hiện theo lộ trình 24 tháng bởi các đơn vị tổng thầu cơ điện và năng lượng tái tạo.

Ban hành quy chuẩn kiểm định nghiêm ngặt về giới hạn dòng một chiều bơm vào lưới điện phân phối dưới mức 0.5% dòng danh định, do các công ty điện lực trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam chủ trì áp dụng trong giai đoạn vận hành lưới điện thông minh.

Mở rộng quy mô nghiên cứu tích hợp hệ thống khung xoay hai trục bám hướng nhật xạ kết hợp đi-ốt thông mạch bypass diode cho các trang trại điện mặt trời lớn, hướng tới mục tiêu gia tăng sản lượng phát điện hàng năm từ 35% đến 40%, chuyển giao cho các viện nghiên cứu chuyên ngành điện thực hiện trong 3 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế hệ thống điện mặt trời và điện tử công suất: Khai thác chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost và thuật toán điều chế sóng mang PD-PWM để thiết kế các bộ nghịch lưu hòa lưới thương mại đạt chuẩn sóng hài thấp.

Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Tiếp cận phương pháp luận mô hình hóa đặc tính phi tuyến của tế bào quang điện và kỹ thuật lập trình logic mờ trên nền tảng MATLAB/Simulink phục vụ các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

Cán bộ quản lý kỹ thuật và điều độ tại các công ty điện lực: Nắm vững các tiêu chuẩn kỹ thuật hòa lưới, đánh giá tác động của sóng hài và hiện tượng xâm nhập dòng DC để xây dựng quy trình nghiệm thu đấu nối trạm phát điện phân tán.

Nhà phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp thiết bị năng lượng tái tạo: Ứng dụng cấu trúc phần cứng biến tần lai 5 bậc nhằm tối ưu hóa số lượng linh kiện bán dẫn công suất, giảm giá thành sản xuất bộ nghịch lưu từ 15% đến 20%.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới trong nghiên cứu có cần sử dụng ắc quy lưu trữ không? Hệ thống hoàn toàn không sử dụng bộ lưu trữ ắc quy nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư và bảo vệ môi trường. Toàn bộ điện năng sinh ra từ dàn pin quang điện được chuyển đổi trực tiếp thành điện xoay chiều và hòa vào lưới điện phân phối với hệ số công suất đạt 0.99.

Tại sao thuật toán MPPT bằng Logic mờ FLC lại tốt hơn thuật toán P&O? Thuật toán FLC sử dụng các tập mờ linh hoạt để điều chỉnh tỷ số đóng cắt D, giúp bám sát điểm cực đại nhanh hơn 35% và không bị dao động công suất quanh điểm cực đại khi bức xạ mặt trời thay đổi đột ngột từ 200W/m2 đến 1000W/m2 như thuật toán P&O.

Bộ nghịch lưu lai 5 bậc mang lại ưu thế gì về mặt sóng hài so với bộ nghịch lưu 3 bậc? Bộ nghịch lưu lai 5 bậc tạo ra điện áp ngõ ra có 5 mức phân tầng, giúp giảm tổng biến dạng sóng hài dòng điện THD từ 12.8% ở bộ 3 bậc xuống còn 2.5% tại điểm kết nối chung, đáp ứng chuẩn IEEE 519 mà không cần bộ lọc kích thước lớn.

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng như thế nào đến công suất phát của dàn pin mặt trời? Khi nhiệt độ bề mặt pin tăng thêm 1 độ C vượt ngưỡng chuẩn 25 độ C, công suất ngõ ra suy giảm khoảng 0.4% đến 0.5% do điện áp hở mạch giảm mạnh với hệ số 5 milivon trên một độ C, mặc dù dòng ngắn mạch có tăng nhẹ 500 microampe trên một độ C.

Làm thế nào để hệ thống ngăn chặn hiện tượng rò rỉ dòng điện một chiều vào lưới xoay chiều? Nghiên cứu sử dụng giải thuật điều khiển dòng tích phân tỉ lệ kết hợp với máy biến áp cách ly ghép tầng ở đầu ra nghịch lưu, giúp loại bỏ hoàn toàn dòng DC injection, bảo vệ an toàn cho các thiết bị đo đếm và máy biến áp trên lưới điện.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng chi tiết đặc tính pin quang điện chịu ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ trên MATLAB/Simulink.
  • Thiết lập giải thuật điều khiển MPPT dựa trên logic mờ FLC cho bộ biến đổi Buck-Boost, nâng cao tốc độ đáp ứng động thêm 35% so với thuật toán P&O.
  • Đề xuất cấu trúc bộ nghịch lưu lai 5 bậc ba pha kết hợp kỹ thuật điều chế PD-PWM, cắt giảm độ méo sóng hài THD xuống mức 2.5%.
  • Đảm bảo tính đồng bộ hoàn toàn giữa điện áp nghịch lưu và lưới điện ba pha 380V với hệ số công suất xấp xỉ 0.99 và triệt tiêu dòng một chiều hòa lưới.
  • Đóng góp giải pháp phần cứng và thuật toán điều khiển tối ưu, tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc thiết kế chế tạo các bộ biến tần đa bậc hòa lưới thương mại.

Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc chế tạo phần cứng thực nghiệm trên bo mạch vi xử lý DSP TMS320F2812 trong vòng 18 tháng tới. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác trực tiếp mô hình mô phỏng này để phát triển các hệ thống điện mặt trời hòa lưới hiệu suất cao.