Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng điện tại Việt Nam đang tăng trưởng mạnh mẽ với tốc độ khoảng 8% - 10% mỗi năm, dẫn đến tình trạng thiếu hụt điện năng ngày càng nghiêm trọng. Theo dự báo của ngành điện, sản lượng điện thiếu hụt có thể lên đến khoảng 15 tỉ kWh vào năm 2023, tương đương 5% nhu cầu tiêu thụ. Trước thực trạng này, việc phát triển các hệ thống lưới điện siêu nhỏ (microgrid) dạng lai AC-DC với ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo được xem là giải pháp tiềm năng nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng điện và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng hoạt động của bộ biến đổi công suất liên kết (Interlinking Converter - IC) trong hệ thống lưới điện siêu nhỏ dạng lai, bao gồm hai hệ thống AC và DC trao đổi công suất với nhau. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình điều khiển cho bộ biến đổi liên kết nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống, đồng thời phát triển mô hình sử dụng nguồn DC phân tán để tối ưu hóa khả năng điều khiển. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng và đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo, đồng thời đối mặt với thách thức về cung cầu điện ngày càng căng thẳng. Việc ứng dụng bộ biến đổi công suất liên kết trong lưới điện siêu nhỏ dạng lai góp phần nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tổn thất và tăng tính linh hoạt cho hệ thống điện phân tán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển rơi (droop control) và mô hình chuẩn hóa điện áp, tần số trong lưới điện siêu nhỏ.

  • Điều khiển rơi (Droop Control): Đây là phương pháp điều khiển phân tán được sử dụng để chia sẻ công suất giữa các nguồn điện trong lưới AC và DC. Phương pháp này giúp điều chỉnh tần số và điện áp dựa trên công suất hiệu dụng và công suất phản kháng, đảm bảo sự cân bằng và ổn định của hệ thống.

  • Chuẩn hóa điện áp và tần số: Để đồng bộ hóa các lưới điện AC và DC, các giá trị tần số và điện áp được chuẩn hóa về cùng một đơn vị per-unit (p.u), giúp giảm sai số và tăng tính chính xác trong điều khiển.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: lưới điện siêu nhỏ (Microgrid), bộ biến đổi công suất liên kết (Interlinking Converter), nguồn phân tán (Distributed Generation), điều khiển phân tán đa bậc (Decentralized Multi-level Control), và phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mô hình mô phỏng xây dựng trên phần mềm Matlab/Simulink, kết hợp với các số liệu thực tế về nhu cầu điện và tiềm năng năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm hai lưới điện siêu nhỏ AC và DC, với các nguồn điện lý tưởng và nguồn điện mặt trời có công suất đỉnh lần lượt là 127.575 kWp (AC) và 85 kWp (DC).

Phương pháp phân tích sử dụng kỹ thuật điều khiển rơi kết hợp chuẩn hóa và điều chế PWM để điều khiển điện áp, tần số và dòng điện trong hệ thống. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2019 đến tháng 12/2020, bao gồm các bước xây dựng mô hình căn bản, mô phỏng với nguồn điện mặt trời, và nâng cấp mô hình với nguồn phân tán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả mô phỏng bộ biến đổi công suất liên kết: Mô hình mô phỏng cho thấy bộ biến đổi công suất liên kết có khả năng điều chỉnh công suất trao đổi giữa lưới AC và DC hiệu quả, với công suất DC đổ về lưới AC đạt khoảng 11 kW khi tải AC thay đổi. Tần số hệ thống được duy trì ổn định ở mức 49.5 Hz, nằm trong giới hạn cho phép ±0.2 Hz theo tiêu chuẩn Bộ Công Thương.

  2. Chất lượng điện áp đạt chuẩn: Trước và sau khi liên kết hai lưới điện, tổng biến dạng sóng hài (THD) của điện áp đều nằm trong giới hạn cho phép, dưới 5% theo tiêu chuẩn IEEE Std 519-1992. Cụ thể, THD tăng nhẹ từ 2.48% lên khoảng 3% sau khi liên kết, vẫn đảm bảo chất lượng điện năng.

  3. Mô phỏng với nguồn điện mặt trời: Khi sử dụng nguồn điện mặt trời với bức xạ ổn định, công suất DC đổ về lưới AC đạt 12 kW, trong khi công suất AC giảm từ 37 kW để cân bằng tải. Chất lượng điện áp vẫn duy trì tốt với THD dưới 3%.

  4. Ảnh hưởng của biến đổi bức xạ mặt trời: Khi bức xạ mặt trời giảm đột ngột, công suất từ lưới AC được điều chỉnh để hỗ trợ lưới DC, đảm bảo cân bằng công suất. Tuy nhiên, biến dạng sóng hài tăng lên gần 4%, vượt ngưỡng cho phép, được cải thiện bằng việc bổ sung bộ lọc thụ động tại tải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến đổi công suất và tần số là do đặc tính không ổn định của nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời phụ thuộc vào điều kiện bức xạ. Việc áp dụng điều khiển rơi kết hợp chuẩn hóa giúp hệ thống tự động điều chỉnh công suất và duy trì tần số ổn định, tương tự như các nghiên cứu trong ngành điện hiện đại.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, mô hình này đã cải tiến bằng cách tích hợp điều khiển phân tán đa bậc và sử dụng bộ biến đổi công suất liên kết có khả năng điều chỉnh linh hoạt giữa lưới AC và DC. Kết quả mô phỏng cho thấy tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong thực tế, đặc biệt trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ công suất trao đổi giữa hai lưới, biểu đồ tần số hệ thống theo thời gian, và bảng tổng hợp chỉ số biến dạng sóng hài trước và sau khi liên kết, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả điều khiển và chất lượng điện năng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ biến đổi công suất liên kết trong các hệ thống microgrid: Khuyến nghị các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện siêu nhỏ áp dụng bộ biến đổi công suất liên kết để nâng cao hiệu quả trao đổi công suất giữa lưới AC và DC, giảm tổn thất và tăng độ tin cậy. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

  2. Phát triển hệ thống điều khiển phân tán đa bậc: Đề xuất nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển phân tán đa bậc nhằm tối ưu hóa khả năng điều khiển và phản ứng nhanh với biến đổi tải và nguồn, đặc biệt trong các hệ thống có nhiều nguồn phân tán. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ điện.

  3. Bổ sung bộ lọc thụ động tại các điểm tải: Để giảm thiểu biến dạng sóng hài khi nguồn năng lượng tái tạo thay đổi đột ngột, cần thiết kế và lắp đặt bộ lọc thụ động phù hợp tại các điểm tải trọng. Giải pháp này nên được triển khai song song với việc nâng cấp hệ thống điều khiển.

  4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức: Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp cần tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ microgrid và bộ biến đổi công suất liên kết cho kỹ sư vận hành, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn hệ thống. Thời gian thực hiện liên tục trong 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình điều khiển và mô phỏng bộ biến đổi công suất liên kết trong microgrid, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  2. Doanh nghiệp phát triển và vận hành hệ thống điện phân tán: Các công ty năng lượng tái tạo và quản lý lưới điện có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa hệ thống, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy.

  3. Cơ quan quản lý ngành điện và chính sách: Thông tin về nhu cầu điện và tiềm năng năng lượng tái tạo giúp hoạch định chính sách phát triển năng lượng bền vững, đồng thời đánh giá hiệu quả các giải pháp kỹ thuật.

  4. Nhà sản xuất thiết bị điện và công nghệ điều khiển: Các nhà sản xuất có thể tham khảo mô hình và thuật toán điều khiển để phát triển sản phẩm bộ biến đổi công suất liên kết phù hợp với yêu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ biến đổi công suất liên kết là gì và vai trò của nó trong microgrid?
    Bộ biến đổi công suất liên kết là thiết bị chuyển đổi điện năng hai chiều giữa lưới AC và DC trong hệ thống microgrid dạng lai. Nó giúp trao đổi công suất linh hoạt, duy trì ổn định điện áp và tần số, nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng.

  2. Tại sao cần áp dụng điều khiển rơi trong hệ thống microgrid?
    Điều khiển rơi giúp chia sẻ công suất hiệu quả giữa các nguồn phân tán mà không cần liên lạc phức tạp, đảm bảo cân bằng tải và ổn định tần số, phù hợp với hệ thống phân tán và có tính mở rộng cao.

  3. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng điện áp khi nguồn năng lượng tái tạo thay đổi?
    Ngoài việc sử dụng bộ biến đổi công suất liên kết với điều khiển thích hợp, việc bổ sung bộ lọc thụ động tại các điểm tải giúp giảm biến dạng sóng hài, duy trì điện áp ổn định và đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng điện năng.

  4. Phần mềm Matlab/Simulink có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    Matlab/Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống, kiểm tra hiệu quả điều khiển và đánh giá chất lượng điện năng trong các kịch bản khác nhau, giúp tối ưu thiết kế trước khi triển khai thực tế.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các hệ thống microgrid khác không?
    Có, mô hình và phương pháp điều khiển được thiết kế linh hoạt, có thể điều chỉnh và áp dụng cho nhiều loại microgrid khác nhau, đặc biệt là các hệ thống kết hợp nguồn AC và DC với nguồn phân tán.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng bộ biến đổi công suất liên kết trong lưới điện siêu nhỏ dạng lai AC-DC, sử dụng Matlab/Simulink.
  • Phương pháp điều khiển rơi kết hợp chuẩn hóa giúp duy trì ổn định tần số, điện áp và chia sẻ công suất hiệu quả giữa các lưới AC và DC.
  • Mô hình hoạt động tốt với nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, đảm bảo chất lượng điện áp và đáp ứng tiêu chuẩn biến dạng sóng hài.
  • Việc bổ sung bộ lọc thụ động cải thiện biến dạng sóng hài khi nguồn năng lượng thay đổi đột ngột, nâng cao độ tin cậy hệ thống.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế và phát triển điều khiển phân tán đa bậc nhằm nâng cao hiệu quả và tính linh hoạt của hệ thống microgrid trong tương lai.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thực tế và mở rộng mô hình với các nguồn phân tán đa dạng hơn để hoàn thiện giải pháp. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo và hệ thống điện thông minh tại Việt Nam.