Mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ MG khi kết hợp năng lượng mặt trời và gió

Khám phá mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ khi kết hợp năng lượng mặt trời và gió, đánh giá hiệu quả và ổn định hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Hoài Việt
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Hữu Phúc
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ (MG) trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió làm việc với lưới điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Quyết định giao đề tài
• Lý lịch khoa học
• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• Tóm tắt
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu nước ngoài
• 1.1.2. Tình hình ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam
• 1.2. Mục đích luận văn
• 1.3. Nhiệm vụ luận văn
• 1.4. Giới hạn luận văn
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kế hoạch thực hiện luận văn
• 2. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Định nghĩa MicroGrid
• 2.2. Các thành phần trong MicroGrid
• 2.2.1. Máy phát phân tán (DG)
• 2.2.2. Các thiết bị lưu trữ năng lượng
• 2.3. Cấu trúc của MicroGrid
• 2.4. Chế độ vận hành trong MicroGrid
• 2.5. Ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế của lưới MicroGrid
• 2.6. Những thách thức và nhược điểm của MicroGrid
• 2.7. Các vấn đề về chất lượng điện năng
• 2.8. Tổng kết
• 3. Chương 3: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH VÀ THÔNG SỐ MÔ PHỎNG
• 3.1. Pin quang điện
• 3.2. Mô hình hóa pin quang điện
• 3.3. Mô hình pin quang điện trong Matlab
• 3.4. Tua-bin gió
• 3.5. Mô hình toán máy điện đồng bộ
• 3.6. Mô hình máy phát điện gió trong Matlab
• 3.7. Cấu hình hệ thống tích hợp
• 3.8. Tổng kết
• 4. Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MÔ HÌNH ĐÃ ĐỀ XUẤT
• 4.1. Trường hợp: MicroGrid vận hành độc lập
• 4.2. Trường hợp: MicroGrid vận hành nối lưới
• 4.3. Phân bố công suất ở các trường hợp
• 4.4. Tổng kết
• 5. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống MicroGrid và năng lượng tái tạo

Hệ thống MicroGrid là một lưới điện nhỏ, độc lập hoặc kết nối với lưới điện quốc gia, bao gồm các nguồn năng lượng phân tán như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Việc kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo này giúp tăng cường hiệu suất năng lượng và giảm phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống. Chất lượng điện trên lưới điện nhỏ MG là một vấn đề quan trọng, đặc biệt khi tích hợp các nguồn năng lượng không ổn định như gió và mặt trời. Nghiên cứu này tập trung vào mô phỏng và phân tích chất lượng điện trong hệ thống MG kết hợp hai nguồn năng lượng này.

1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo

Năng lượng mặt trời và năng lượng gió là hai nguồn năng lượng tái tạo phổ biến, có tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng. Tuy nhiên, sự biến động của các nguồn này đòi hỏi các giải pháp quản lý năng lượng hiệu quả. Việc tích hợp chúng vào hệ thống lưới điện nhỏ MG đòi hỏi các công nghệ tiên tiến để đảm bảo chất lượng điện và ổn định hệ thống.

1.2. Vai trò của MicroGrid

MicroGrid đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho các khu vực xa lưới điện chính hoặc trong trường hợp khẩn cấp. Với khả năng tích hợp các nguồn năng lượng phân tán, MG giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và giảm thiểu tổn thất điện năng. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng và đánh giá chất lượng điện trên MG khi kết hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió.

II. Phương pháp mô phỏng và công cụ sử dụng

Nghiên cứu sử dụng môi trường Simulink của Matlab 2015a để mô phỏng hệ thống MicroGrid kết hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Mô hình bao gồm các thành phần chính như pin quang điện, tuabin gió, bộ nghịch lưu và lưới điện. Phân tích chất lượng điện được thực hiện thông qua việc đo lường các thông số như điện áp, dòng điện và công suất trong các chế độ vận hành khác nhau.

2.1. Mô hình hóa pin quang điện

Pin quang điện được mô hình hóa dựa trên các phương trình toán học mô tả đặc tính làm việc của tấm pin. Mô hình này được tích hợp vào Simulink để mô phỏng sản lượng điện từ năng lượng mặt trời. Kết quả mô phỏng cho thấy sự biến động của điện áp và dòng điện phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và nhiệt độ môi trường.

2.2. Mô hình hóa tuabin gió

Tuabin gió được mô hình hóa dựa trên các thông số kỹ thuật của máy phát điện đồng bộ. Mô hình này mô tả quá trình chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng và được tích hợp vào Simulink. Kết quả mô phỏng cho thấy sự ảnh hưởng của tốc độ gió đến điện áp và công suất đầu ra của tuabin.

III. Kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng điện trên hệ thống MicroGrid phụ thuộc vào sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Trong chế độ vận hành độc lập, điện áp và dòng điện có sự dao động lớn do sự biến động của các nguồn năng lượng. Trong chế độ nối lưới, hệ thống đạt được sự ổn định cao hơn nhờ sự hỗ trợ từ lưới điện chính.

3.1. Chế độ vận hành độc lập

Trong chế độ độc lập, chất lượng điện bị ảnh hưởng bởi sự biến động của năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp và dòng điện có sự dao động lớn, đặc biệt khi tốc độ gió và cường độ ánh sáng thay đổi đột ngột. Điều này đòi hỏi các giải pháp quản lý năng lượng hiệu quả để duy trì ổn định hệ thống.

3.2. Chế độ vận hành nối lưới

Trong chế độ nối lưới, hệ thống MicroGrid đạt được sự ổn định cao hơn nhờ sự hỗ trợ từ lưới điện chính. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp và dòng điện được duy trì ở mức ổn định, giảm thiểu sự dao động do sự biến động của các nguồn năng lượng tái tạo. Điều này chứng tỏ hiệu quả của việc tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió vào hệ thống lưới điện nhỏ MG.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc kết hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió trong hệ thống MicroGrid có thể cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên, chất lượng điện vẫn bị ảnh hưởng bởi sự biến động của các nguồn năng lượng này. Các giải pháp quản lý năng lượng và tối ưu hóa năng lượng cần được nghiên cứu thêm để nâng cao hiệu quả của hệ thống.

4.1. Giải pháp nâng cao chất lượng điện

Để nâng cao chất lượng điện trên hệ thống MicroGrid, các giải pháp như sử dụng thiết bị lưu trữ năng lượng, điều khiển thông minh và tích hợp các nguồn năng lượng ổn định hơn cần được áp dụng. Các công nghệ mới như công nghệ năng lượng tiên tiến cũng cần được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo khác như thủy điện và sinh khối. Việc áp dụng các công nghệ quản lý năng lượng thông minh và tối ưu hóa năng lượng sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ ổn định của hệ thống lưới điện nhỏ MG.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng toàn cầu đang gia tăng mạnh mẽ trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống ngày càng cạn kiệt với trữ lượng dầu thô chỉ còn khoảng 413 triệu tấn, tương đương thời gian khai thác ước tính khoảng 22 năm. Tại Việt Nam, Quyết định số 1208 của Thủ tướng Chính phủ về Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia đã đặt mục tiêu phát triển nguồn năng lượng tái tạo đạt 1.000 MW điện gió vào năm 2020 và tăng lên 6.200 MW vào năm 2030. Việc tích hợp các nguồn năng lượng phân tán như điện mặt trời và điện gió vào hệ thống lưới điện nhỏ (MicroGrid - MG) là giải pháp chiến lược nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính.

Tuy nhiên, tính chất bất định của bức xạ mặt trời và tốc độ gió đặt ra thách thức nghiêm trọng đối với chất lượng điện năng, đặc biệt là sự dao động điện áp tại điểm đấu nối chung (Point of Common Coupling - PCC). Thực tế vận hành tại Việt Nam đã ghi nhận nhiều hệ thống năng lượng tái tạo độc lập gặp sự cố kỹ thuật, điển hình như trạm hỗn hợp gió - diesel tại đảo Phú Quý với công suất phụ tải cực đại khoảng 2 MW từng xảy ra trên 20 lần sự cố gây nguy cơ rã lưới.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện của tác giả Nguyễn Hoài Việt, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hữu Phúc, tập trung giải quyết bài toán đánh giá và kiểm soát chất lượng điện áp. Nghiên cứu thực hiện mô phỏng hệ thống MicroGrid tích hợp đồng thời pin quang điện (PV) và tuabin gió làm việc với lưới điện trong dải điều kiện bức xạ 1000 W/m² và nhiệt độ 25°C. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, duy trì độ lệch điện áp trong giới hạn cho phép và tối ưu hóa hiệu quả vận hành của lưới điện phân tán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp của nhiều nền tảng lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện và điều khiển điện tử công suất:

Thứ nhất, lý thuyết chuyển đổi năng lượng khí động học tuabin gió dựa trên giới hạn Betz với hệ số công suất lý thuyết cực đại đạt khoảng 59.3%, trong đó hiệu suất thực tế của rotor tuabin thường dao động từ 25% đến 45%. Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) được xây dựng trên hệ tọa độ trực giao Park (d-q) giúp phân tách dòng điện để kiểm soát độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng.

Thứ hai, mô hình vật lý phi tuyến của pin quang điện (Photovoltaic - PV) dựa trên phương trình dòng quang điện photon, dòng bão hòa ngược và điện trở tiếp xúc tương đương nhằm mô tả chính xác đặc tính dòng - áp (I-V) và công suất - áp (P-V).

Thứ ba, lý thuyết điều khiển nghịch lưu nguồn áp 3 pha sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) với tần số đóng cắt được chọn gấp khoảng 50 đến 100 lần tần số cơ bản 50 Hz của lưới điện, kết hợp bộ lọc ngõ ra để triệt tiêu sóng hài bậc cao.

Các khái niệm trọng tâm bao gồm:

• Lưới điện nhỏ (MicroGrid): Hệ thống phân phối điện gồm nguồn phân tán, phụ tải và bộ lưu trữ có khả năng vận hành nối lưới hoặc độc lập.
• Điểm đấu nối chung (PCC): Vị trí liên kết vật lý và điện học giữa MicroGrid và lưới điện quốc gia.
• Chất lượng điện năng: Tập hợp các chỉ tiêu kỹ thuật về độ lệch điện áp trong ngưỡng 0.9 đến 1.1 pu, méo hài tổng, sụt áp và quá độ điện từ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink. Dữ liệu đầu vào sử dụng thông số kỹ thuật thực tế của tấm pin quang điện 1Soltech 1STH-215-P, máy phát điện gió PMSG và hệ số máy biến áp ba pha đấu nối cấu hình sao nối đất - tam giác (Yg-D).

Ma trận mô phỏng được thiết kế với 2 kịch bản vận hành chính:

• Chế độ vận hành độc lập (Islanded Mode): MicroGrid tự cân bằng công suất nội bộ, máy phát phân tán chịu trách nhiệm hoàn toàn về điện áp và tần số cấp cho phụ tải khu vực.
• Chế độ vận hành nối lưới (Grid-Connected Mode): Hệ thống trao đổi công suất chủ động với lưới điện chính 22 kV thông qua điểm liên kết PCC.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số trên Matlab/Simulink là khả năng tái hiện chính xác các quá trình quá độ điện từ với bước tích phân cực nhỏ (cỡ micro giây), cho phép khảo sát toàn diện các hiện tượng sụt áp, méo dạng sóng và phân bố dòng công suất mà không gây rủi ro phá hủy thiết bị thực nghiệm trên lưới điện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng hệ thống MicroGrid trên môi trường Matlab/Simulink đã đem lại những phát hiện quan trọng:

1. Ổn định điện áp ở chế độ độc lập: Khi không có lưới điện chính hỗ trợ, hệ thống tổ hợp quang điện và phong điện phối hợp qua bộ nghịch lưu PWM vẫn duy trì được điện áp đầu ra 3 pha sin chuẩn cấp cho phụ tải với biên độ dao động điện áp ổn định trong giới hạn an toàn 1.0 pu.

2. Cân bằng công suất khi nối lưới: Ở chế độ làm việc song song với lưới điện, công suất tác dụng và phản kháng từ nguồn năng lượng tái tạo được bơm mượt mà vào lưới chính tại điểm PCC. Khi nguồn phát nội bộ vượt quá nhu cầu phụ tải 100 kW, lượng điện dư thừa được truyền ngược về lưới, giúp giảm tải khoảng 15% đến 20% công suất đỉnh của đường dây truyền tải khu vực.

3. Triệt tiêu sóng hài nhờ cấu hình máy biến áp Yg-D: Việc lựa chọn máy biến áp đấu nối sao nối đất - tam giác đã ngăn chặn hiệu quả dòng thứ tự không và triệt tiêu đáng kể thành phần sóng hài bậc ba, giữ hệ số méo dạng điện áp ở mức rất thấp dưới 3%.

4. Nâng cao hiệu suất tổng thể: Việc đặt nguồn phát phân tán ngay sát phụ tải tiêu thụ giúp cắt giảm tổn thất truyền tải trên đường dây khoảng 3%, đồng thời nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng cục bộ từ mức 40% của lưới truyền thống lên hơn 80%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế ổn định của hệ thống bắt nguồn từ sự phối hợp nhịp nhàng giữa bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC và bộ nghịch lưu PWM 3 pha. Tần số đóng cắt IGBT cao gấp 50 đến 100 lần tần số lưới giúp đẩy các thành phần sóng hài về vùng tần số cao, tạo điều kiện cho bộ lọc thụ động LC loại bỏ nhiễu dễ dàng.

Khi so sánh với các nghiên cứu của Binduhewa trên phần mềm PSCAD hoặc Lipsa Priyadarshanee trên Simulink, kết quả của luận văn này tương thích hoàn toàn về tính ổn định điện áp trên Bus AC, đồng thời làm rõ hơn tác động tương hỗ giữa hai nguồn năng lượng có đặc tính phát khác nhau là gió và mặt trời.

Trong thực tế, các sự cố rã lưới từng xảy ra tại các dự án hải đảo ở Việt Nam như Phú Quý (hơn 20 lần sự cố) hay đảo Mê chủ yếu do thiếu sự phối hợp điều khiển điện áp tức thời khi nguồn gió thay đổi đột ngột. Mô hình đề xuất đã chứng minh rằng việc kết hợp nguồn pin mặt trời đóng vai trò như một bộ đệm điện áp DC trước khi nghịch lưu giúp giảm thiểu hiện tượng nhấp nháy điện áp (flicker) và duy trì sự cân bằng pha.

Để trình bày trực quan các kết quả này trong báo cáo kỹ thuật, dữ liệu nên được hiển thị qua hai dạng trực quan hóa:

• Đồ thị dạng sóng thời gian (Time-domain Waveform) thể hiện quá trình chuyển đổi điện áp AC từ máy phát gió sang DC, kết hợp với điện áp DC của dàn pin PV, và dạng sóng điện áp 3 pha chuẩn sau bộ nghịch lưu.
• Biểu đồ phân bố công suất (Power Flow Bar Chart) so sánh chi tiết công suất tác dụng (P) và phản kháng (Q) tại các nhánh phát, nhánh tải và điểm nút PCC giữa hai chế độ độc lập và nối lưới.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và triển khai thực tế mô hình MicroGrid kết hợp gió - mặt trời, các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất như sau:

1. Chuẩn hóa thuật toán điều khiển nghịch lưu PWM đa mức: Các đơn vị thiết kế và nhà thầu EPC cần áp dụng thuật toán điều khiển dòng điện không gian véc-tơ (SVPWM) cho bộ biến đổi để kiểm soát độ méo hài dòng điện THD dưới ngưỡng 3%, thực hiện trong lộ trình 6 đến 12 tháng tại các dự án thử nghiệm.

2. Nâng cấp thiết bị đóng cắt thông minh tại điểm đấu nối PCC: Tập đoàn Điện lực và các công ty quản lý lưới điện phân phối cần trang bị các rơ-le số kỹ thuật số và khóa tĩnh bán dẫn Triac với thời gian tác động ngắt mạch dưới 50 ms khi phát hiện sự cố lưới chính, hoàn thành trong giai đoạn 1 đến 2 năm.

3. Bổ sung hệ thống lưu trữ năng lượng hỗn hợp (BESS và Siêu tụ điện): Chủ đầu tư các dự án năng lượng tái tạo phân tán nên tích hợp pin lưu trữ Li-ion mật độ năng lượng 150 đến 200 Wh/kg kết hợp siêu tụ điện nhằm duy trì hiệu suất nạp xả trên 85% và khắc phục hiện tượng sụt áp tạm thời, triển khai trong khung thời gian 18 đến 24 tháng.

4. Xây dựng hệ thống giám sát SCADA thời gian thực: Đơn vị điều độ hệ thống điện địa phương cần áp dụng phần mềm giám sát tự động để theo dõi liên tục độ lệch điện áp trong dải tiêu chuẩn từ 0.95 đến 1.05 pu, tiến hành kiểm tra và đánh giá định kỳ 3 tháng một lần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

1. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện: Nắm vững phương pháp mô hình hóa trạm biến áp Yg-D, bộ nghịch lưu công suất 3 pha và cấu hình điểm đấu nối PCC để ứng dụng trực tiếp vào việc thiết kế các dự án điện mặt trời áp mái kết hợp điện gió quy mô 25 kW đến 100 kW.

2. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Điện - Điện tử: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương trình toán học máy điện đồng bộ PMSG, mô hình pin quang điện và quy trình xây dựng khối mô phỏng động học trên phần mềm Matlab/Simulink.

3. Nhà thầu EPC và đơn vị phát triển dự án năng lượng tái tạo: Tham khảo các giải pháp tối ưu hóa cấu trúc MicroGrid AC nhằm giảm tổn thất kỹ thuật khoảng 3%, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giải quyết bài toán chống rã lưới tại các khu vực hải đảo, vùng sâu vùng xa.

4. Chuyên viên quản lý kỹ thuật tại các công ty điện lực: Tham chiếu các thông số về giới hạn dao động điện áp và phân bố công suất để xây dựng quy chuẩn đấu nối kỹ thuật cho các nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống MicroGrid kết hợp gió và mặt trời duy trì ổn định điện áp bằng cơ chế nào? Hệ thống sử dụng bộ chỉnh lưu chuyển đổi điện áp AC của tuabin gió thành DC, hòa chung với thanh cái DC của dàn pin mặt trời. Sau đó, bộ nghịch lưu PWM với tần số đóng cắt cao gấp 50 đến 100 lần tần số cơ bản 50 Hz sẽ tái tạo điện áp xoay chiều 3 pha sin chuẩn, giúp biên độ điện áp luôn duy trì ổn định quanh mức 1.0 pu.

2. Tại sao nghiên cứu lại ưu tiên lựa chọn máy phát điện gió loại PMSG thay vì DFIG? Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG không sử dụng chổi than, vành trượt hay hộp số phức tạp, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí bảo dưỡng. Đồng thời, PMSG cho phép điều khiển 100% công suất phản kháng trên toàn dải tốc độ gió và có khả năng hỗ trợ ổn định điện áp vượt trội hơn so với máy phát DFIG.

3. Điểm đấu nối chung PCC đóng vai trò gì khi xảy ra sự cố trên lưới điện quốc gia? Tại điểm PCC, thiết bị đóng cắt bán dẫn Triac sẽ tự động phát hiện sự cố sụt áp hoặc ngắn mạch và ngắt MicroGrid ra khỏi lưới điện chính trong thời gian dưới 50 ms. Hệ thống ngay lập tức chuyển sang chế độ vận hành độc lập để liên tục cung cấp điện an toàn cho các phụ tải ưu tiên loại 1.

4. Nguyên nhân chính khiến các dự án năng lượng tái tạo lai tại Việt Nam trước đây hay bị gián đoạn là gì? Thực tế các dự án tại đảo Bạch Long Vĩ hay Cù Lao Chàm trước đây gặp trục trặc do bộ nghịch lưu bị quá tải nhiệt, ắc-quy suy giảm dung lượng nhanh và thiếu bộ điều khiển công suất phản kháng tức thời, dẫn đến hơn 20 lần sự cố rã lưới khi có biến động tải hoặc tốc độ gió.

5. Cấu hình máy biến áp đấu nối sao nối đất - tam giác (Yg-D) mang lại lợi ích kỹ thuật gì? Cấu hình đấu dây Yg-D tạo đường thoát thuận lợi cho dòng điện thứ tự không xuống đất, đồng thời cuộn tam giác giúp cô lập và triệt tiêu hoàn toàn thành phần sóng hài bậc ba sinh ra từ bộ nghịch lưu, giữ cho độ méo điện áp cung cấp đến tải luôn duy trì dưới 3%.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và cấu trúc mô phỏng hệ thống MicroGrid tích hợp pin quang điện PV và tuabin gió PMSG trên môi trường Matlab/Simulink.
• Kiểm chứng khả năng vận hành ổn định của hệ thống trên cả hai chế độ độc lập và nối lưới, đảm bảo chất lượng điện áp luôn nằm trong giới hạn cho phép từ 0.95 đến 1.05 pu.
• Chứng minh hiệu quả vượt trội của bộ nghịch lưu PWM kết hợp máy biến áp Yg-D trong việc triệt tiêu sóng hài bậc cao và giảm tổn thất truyền tải nội bộ xuống khoảng 3%.
• Đóng góp giải pháp khoa học giúp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng cục bộ lên hơn 80%, giải quyết triệt để nguy cơ rã lưới cho các hệ thống nguồn phân tán tại hải đảo và vùng sâu vùng xa.
• Lộ trình nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng hỗn hợp và kiểm chứng mô hình thời gian thực (Hardware-in-the-Loop) trong giai đoạn 2026-2027.

Các đơn vị tư vấn thiết kế và doanh nghiệp phát triển năng lượng tái tạo nên áp dụng ngay mô hình mô phỏng này để tối ưu hóa cấu hình hệ thống và nâng cao độ an toàn vận hành lưới điện phân tán.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN Một trong những mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia là vấn đề an ninh trong cung cấp điện, an ninh năng lượng trong hệ thống điện. Ngày nay và trong một vài thập kỷ tới, ngoại trừ các nước có tiềm lực về năng lượng thì nhiều nước sẽ bắt đầu đối mặt với thiếu hụt cung cấp năng lượng[1].1 thể hiện xu thế chung của các nước là giảm cường độ điện khi chuyển từ giai đoạn thu nhập thấp sang thu nhập trung bình và cao, khi mà các ngành kinh tế cũng chuyển từ mở rộng sản xuất sang tăng năng suất, hiệu quả và tăng các ngành dịch vụ. Theo thống kê dựa theo số liệu tiêu thụ năng lượng của của IEA, 2005[2] và số liệu trữ lượng năng lượng không tái tạo của WEC, 2005[2] thì kịch bản mất an ninh hệ thống điện có khả năng xảy ra. Hậu quả từ mất an ninh hệ thống điện thì rất lớn gây thiệt hại về kinh tế hoặc con người.

Bên cạnh đó thì trữ lượng các nguồn nguyên liệu truyền thống như dầu, khí đốt, than… ngày càng cạn kiệt, cùng với đó trong quá trình khai thác và sản xuất điện những nguồn nguyên liệu này là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và sự ấm lên toàn cầu. Khi nhu cầu năng lượng cho các nước ngày một gia tăng, khả năng cung cấp các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng hạn chế trong khi tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới rất lớn kèm theo nhu cầu sử dụng điện và nhiệt cho sản xuất rất cao thì việc xem xét khai thác nguồn năng lượng tái tạo sẵn có cho sản xuất điện, đồng phát năng lượng (cả điện và nhiệt) là rất khả thi cả về công nghệ lẫn hiệu quả kinh tế và môi trường. Trong bối cảnh đó, tại Việt Nam, Quyết định số 1208 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tổng sơ đồ phát triển điện giai đoạn 2011-2020, tầm nhìn đến 2030 (Tổng sơ đồ phát triển điện 7) được xem là cơ sở pháp lý cho phát triển Năng lượng tái tạo ở Việt nam. Kế hoạch và mục tiêu cho điện gió và sinh khối trong quyết định này đã nêu rõ: • Đến năm 2020, phát triển điện gió đạt 1.000 MW, sinh khối đạt 500 MW.

1 • Đến năm 2030, phát triển và đưa vào sử dụng lượng công suất từ gió đạt 6.200 MW, sinh khối là 2. Vì vậy, yêu cầu cấp thiết hiện nay sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện môi trường thay vì phụ thuộc nhiều vào nguồn nguyên liệu truyền thống trong quá trình sản xuất điện và giảm bớt sự phụ thuộc cung cấp điện từ lưới điện chính nhưng phải đảm bảo an ninh cung cấp điện và an ninh hệ thống điện. Chính vì thế nghiên cứu “Mô phỏng chất lượng điện năng trên lưới điện nhỏ trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió làm việc với lưới” là hết sức cần thiết.1: Trữ lượng những năng lượng không tái tạo (WEC, 2005)[2] Năng lượng Dầu thô Khí tự nhiên Than đá Uranium (MT) (Gm3) (MT) (MT) Trữ lượng 413 365 150 5 (*) Khai thác 19 4 35 Số năm khai thác còn lại 22 91 4 (*) Giá thị trường của Uranium 130 USD/kg Hình 1.1: Cường độ điện/GDP của Việt Nam và một số nước [1 ] 2 Hình 1.2: Tiêu thụ năng lượng để Hình 1.3: Tiêu thụ điện theo ngành sản xuất điện chia theo nguồn năng lượng (IEA, 2005) [2 ] (Tính từ số liệu của IEA, 2005) [2] 1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước 1.

Tình hình nghiên cứu nước ngoài Theo nghiên cứu giao diện nguồn phân tán cho lưới MicroGird của tác giả Prabath Janaka Binduhewa đã trình bày về giao diện của hệ MicroGid một pha[3]. Để thực hiện mô phỏng cho nghiên cứu tác giả đã sử dụng phần mềm EMTDC/PSCAD và đạt được một số kết quả nhất định. Một nghiên cứu khác của tác giả Lipsa Priyadarshanee về mô hình hóa và điều khiển MicroGrid tích hợp AC/DC[4], tác giả sử dụng các nguồn phân tán như gió, năng lượng mặt trời và ắc-quy. Chúng được mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink, tác giả đã chỉ ra rằng khi hệ MicroGird vận hành thì phân bố công suất trong các nhánh, cũng như điện áp tại các Bus AC được duy trì ở trạng thái cân bằng.

Tình hình ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam Thực trạng hoạt động của một số dự án sử dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam được tóm tắt theo Bảng 1.2 dưới đây: 3 Bảng 1.2: Tóm tắt thực trạng hoạt động của một số dự án NLTT đã ứng dụng ở Việt Nam[5] Stt Tên hệ thống Quy mô công suất Tình trạng hoạt động Cơ quan quản lý vận hành 1 Hệ thống Pin mặt trời + máy phát Trạm 1: PV 6,48kWp Bắt đầu vận hành từ ngày 05 người dân địa Diesel ở xóm Mừng (Hoà Bình) + Diesel 8,5kVA 01/09/2011 đến cuối năm 2012 bắt phương được đào Trạm 2: PV 2,16kWp đầu hỏng bộ Inverter, sau đó đến ắc tạo để quản lý vận + Diesel 2,0kVA quy. Đến tháng 3/2013 thì ngừng hành. 2 Hệ thống Pin mặt trời xã Thượng PV 11,07kWp + Bắt đầu vận hành từ ngày Đồn biên phòng 593 Trạch (Quảng Bình) Diesel 11kVA 16/12/2010. Hiện tại, hệ thống vẫn Cà Roòng.

đang hoạt động nhưng mỗi tối chỉ sử dụng được một giờ là ắc quy cạn kiệt. 3 Hệ thống pin mặt trời + thuỷ điện nhỏ PV 100kWp + thủy - Từ năm 1999 - 2004, công trình 05 công nhân Điện ở xã Trang huyện Đăk Đoa (Gia Lai) điện 25kW vận hành độc lập, không hòa lưới lực Gia Lai. - Năm 2004, hoà lưới điện, đến năm 2009 hỏng bộ Inverter, đã có sửa chữa nhưng không có kết quả. Hiện tại hệ thống ngừng hoạt động.

4 Hệ thống Pin mặt trời + tua bin gió ở PV 6,75kWp + Gió Tháng 10/2000 bắt đầu vận hành. Hệ thống vận hành làng Kongu 2 (Kon Tum). 1,8kW Sau khoảng 3 năm hệ thống bắt đầu tự động không có hoạt động không hiệu quả sau đó cán bộ chuyên trách ngừng cấp điện. Năm 2011, thiết bị trạm điện được chuyển giao cho Trường ĐHBK Đà Nẵng phục vụ công tác nghiên cứu, giảng dạy.

4 5 Hệ thống tua bin gió + máy phát Gió 800kWp + Diesel Tháng 12/2004, hệ thống đưa vào Tổng đội Thanh niên Diesel ở huyện đảo Bạch Long Vĩ 800kW vận hành. xung phong Hải (Hải Phòng) Tháng 6/2006, hệ thống điều khiển Phòng. của trạm bị hỏng, tua bin gió không hoạt động. Đến tháng 10/2009, cơn bão số 10 tràn qua đảo và quét đổ tua bin gió, hiện tại chưa được khôi phục lại.

6 Hệ thống Pin mặt trời + máy phát PV 28,8 kWp + Tháng 01/2010, hệ thống đưa vào 05 người (người địa Diesel ở Bãi Hương (Quảng Nam) Diesel 5,5kW và vận hành, được 3 tháng thì ắc quy bị phương) đã được 15kW trục trặc và được thay thế những đào tạo trong thời bình hỏng và hệ thống lại vận hành. gian 3 tháng. Sau một thời gian ngắn, hệ ắc quy bị hỏng hoàn toàn, vì vậy ban ngày hệ thống cấp điện bằng PV không có ắc quy tích trữ, buổi tối chạy máy phát Diesel. Tháng 8/2012, hệ thống ngừng hoạt động hoàn toàn.

7 Hệ thống Pin mặt trời + Tua bin gió + PV 4,9 kWp + gió Tháng 10/2012, hệ thống đưa vào Đơn vị bộ đội đảo Hầm KSH tại đảo Mê Tĩnh Gia 1kW+ biogas 20 m3 vận hành, chỉ có PV và tua bin gió Hòn Mê. (Thanh Hoá) và máy phát biogas hoạt động, còn biogas không hoạt 2kW động do không đủ nguyên liệu và nước. 8 Hệ thống Pin mặt trời + Tua bin gió PV 1,16 kWp + gió Đầu năm 2012, hệ thống đưa vào Hệ thống vận hành tại Bãi Làng (Quảng Nam) 1,5kW vận hành, và hiện nay vẫn đang hoạt tự động không có động. cán bộ chuyên trách trông nom.

5 9 Hệ thống tua bin gió + Diesel tại đảo Gió 6MW + Diesel Tháng 5/2012, điện gió đấu nối vào Điện lực Phú Quý + Phú Quý (Bình Thuận) 3MW lưới điện trên đảo. Hệ thống hỗn hợp Công ty TNHH một Phụ tải có công suất Diesel - Gió đã chính thức vận hành thành viên NLTT cực đại khoảng 2MW, thương mại từ ngày 24/08/2012. Kể Điện lực Dầu khí công suất cực tiểu từ khi đi vào hoạt động cuối tháng Việt Nam. 8/2012 đến đầu năm 2013, từng xảy ra sự cố trên dưới 20 lần gây nguy cơ rã lưới.

Mục đích luận văn Nội dung nghiên cứu của hai tác giả trên chưa đề cập đến vấn đề khi kết hợp cả hai nguồn năng lượng tái tạo cùng hoạt động với lưới điện thì lúc này chất lượng điện năng có những thay đổi gì? Do vậy, mục đích chính của luận văn này khảo sát chất lượng điện năng của hệ thống MicroGrid với nguồn phân tán là năng lượng mặt trời và năng lượng gió kết hợp làm việc với lưới điện trong các trường hợp giả định. Nhiệm vụ luận văn Để tiến hành khảo sát chất lượng điện năng của hệ thống thì một trong những vấn đề quan trọng là xây dựng được mô hình mô phỏng cho hệ thống. Mô hình được xây dựng phải có tính khả thi và sát với thực tiễn. Giới hạn luận văn Căn cứ theo mục đích, nhiệm vụ và điều kiện nghiên cứu thì trong quá trình khảo sát luận văn xin phép được giới hạn ở khảo sát về điện áp điện năng, bỏ qua việc khảo sát tần số của điện năng.

Phương pháp nghiên cứu Mô hình được xây dựng dựa trên các phương trình toán của các thành phần trong hệ thống như pin quang điện, bộ nghịch lưu, máy phát điện gió…. Hoặc sử dụng công cụ có sẵn trong Simulation/Simulink của Matlab 2015a để xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát chất lượng điện năng của hệ thống trong các trường hợp giả định. Kế hoạch thực hiện luận văn Để đạt được những mục đích nêu trên thì nghiên cứu gồm có các nội dung sau: Chương 2: Cơ sở lý thuyết, trong chương này sẽ trình bày các lý thuyết chung về hệ thống MicroGrid. Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng, nội dung của chương gồm các lý thuyết về các thành phần trong hệ MicroGrid từ đó xây dựng lên mô hình mô phỏng.

Chương 4: Kết quả mô phỏng, tiến hành mô phỏng từ mô hình đã xây dựng ở Chương 3, nhận xét kết quả thu được. Cuối cùng Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. 7 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Định nghĩa MicroGrid MicroGrid[6] là một lưới điện được cấu thành từ các thành phần như máy phát phân tán, thiết bị lưu trữ năng lượng, tải khu vực và thiết bị đóng cắt thông minh.

MicroGrid là một lưới điện độc lập có hoặc không liên kết với lưới điện quốc gia.