Luận văn: Nâng cao ổn định hệ thống điện có năng lượng mặt trời hòa lưới

Luận văn nghiên cứu giải pháp nâng cao ổn định hệ thống điện khi tích hợp năng lượng mặt trời hòa lưới. Phân tích và mô phỏng chi tiết bằng Matlab.

• Tác giả: Nguyễn Văn Thủy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Mi Sa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nâng cao ổn định hệ thống điện có kết hợp năng lượng mặt trời hòa lưới
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới

Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới đã trở thành giải pháp năng lượng tái tạo quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu. Hệ thống này kết hợp các tấm pin mặt trời với lưới điện chính, cho phép các hộ gia đình và doanh nghiệp vừa sử dụng điện từ mặt trời vừa kết nối với lưới điện công cộng. Tại Việt Nam, đặc biệt là tỉnh Ninh Thuận với lượng bức xạ mặt trời cao, năng lượng mặt trời đã được phát triển rộng rãi. Tuy nhiên, việc tích hợp một lượng lớn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện truyền thống gặp thách thức về ổn định hệ thống điện. Những biến động trong sản lượng năng lượng mặt trời do yếu tố thời tiết có thể gây ra dao động tần số và áp suất điện áp, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cấp cho người tiêu dùng và độ tin cậy của toàn hệ thống.

1.1. Khái niệm hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới là hệ thống sử dụng pin mặt trời để phát điện và truyền điều năng lượng này trực tiếp vào lưới điện công cộng. Hệ thống bao gồm các tấm pin quang điện, bộ chuyển đổi điện (inverter), thiết bị bảo vệ, và các công tơ điện thông minh. Ưu điểm chính là không cần pin lưu trữ, giảm chi phí đầu tư, nhưng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và gây ảnh hưởng đến ổn định lưới điện.

1.2. Tầm quan trọng của ổn định hệ thống điện

Ổn định hệ thống điện là yêu cầu cơ bản để đảm bảo cung cấp điện liên tục, an toàn và chất lượng cao. Khi tích hợp năng lượng mặt trời với tỷ lệ cao, hệ thống phải duy trì tần số và áp suất ổn định dưới các điều kiện thay đổi. Việc nâng cao ổn định hệ thống là điều kiện tiên quyết để phát triển bền vững năng lượng tái tạo.

II. Thách thức trong quản lý hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời

Tích hợp năng lượng mặt trời vào hệ thống điện đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Công suất phát từ pin mặt trời biến đổi liên tục theo điều kiện thời tiết, tạo ra những dao động đột ngột trong hệ thống điện. Những thay đổi này có thể gây sụt áp điện áp, biến động tần số, và thậm chí gây ra hiện tượng mất ổn định động của lưới. Hệ thống điện truyền thống được thiết kế để vận hành với các nguồn phát điện lớn và ổn định như nhiệt điện hay thủy điện. Khi có sự penetration cao của năng lượng tái tạo như mặt trời, các máy phát điện synchronous truyền thống giảm vai trò, dẫn đến giảm quán tính của hệ thống. Điều này khiến ổn định hệ thống điện trở nên khó khăn hơn, đòi hỏi các giải pháp điều khiển và bù dãn mới.

2.1. Biến động công suất từ nguồn mặt trời

Sản lượng điện mặt trời phụ thuộc trực tiếp vào cường độ bức xạ mặt trời, được ảnh hưởng bởi thời tiết, mây che, và góc tilt của tấm pin. Các dao động nhanh chóng trong công suất gây sụt áp và biến động tần số, khiến hệ thống điện khó duy trì ổn định. Các đỉnh điện áp tạm thời có thể làm hỏng thiết bị tiêu thụ.

2.2. Giảm quán tính hệ thống điện

Trong hệ thống điện truyền thống, máy phát điện synchronous cung cấp quán tính tự nhiên giúp hệ thống chống lại các nhiễu loạn. Khi năng lượng mặt trời thay thế các máy phát này, quán tính giảm đáng kể, làm giảm khả năng ổn định động và khả năng phục hồi sau các sự cố.

III. Giải pháp sử dụng thiết bị bù tĩnh SVC nâng cao ổn định

Thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Compensator) là một giải pháp hiệu quả để nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời. SVC là một thiết bị điện tử công suất có khả năng bù các thành phần công suất phản kỳ một cách nhanh chóng và linh hoạt. Bằng cách điều chỉnh độ tụ và độ kháng trong mạch, SVC có thể duy trì áp suất điện áp tại mức ổn định, giảm các dao động tần số và cải thiện khả năng chuyển tiếp điện năng. Khi tích hợp SVC vào thanh cái chung nối với hệ thống pin mặt trời, thiết bị này sẽ cung cấp hoặc hút công suất phản kỳ để bù cho những biến động do năng lượng mặt trời gây ra. Nghiên cứu mô phỏng Matlab đã chứng minh rằng SVC giúp giảm các dao động và nâng cao ổn định động của hệ thống một cách đáng kể, đặc biệt trong các tình huống có sự thay đổi đột ngột của công suất mặt trời.

3.1. Nguyên lý hoạt động của SVC

SVC bao gồm các thyristor được kiểm soát để điều chỉnh tụ điện và cuộn cảm. Nó hoạt động ở tần số điều khiển cao để nhanh chóng bù sức mạnh phản kỳ. SVC có thể phát sinh hoặc hấp thụ công suất phản kỳ từ 0 đến giá trị tối đa, giúp ổn định áp suất điện áp và tần số hệ thống. Thời gian đáp ứng nhanh của SVC (vài chu kỳ) khiến nó lý tưởng cho việc kiểm soát ổn định tức thì của hệ thống.

3.2. Lợi ích của SVC trong hệ thống mặt trời hòa lưới

SVC cung cấp nhiều lợi ích: cải thiện ổn định tĩnh, tăng khả năng ổn định động, giảm sụt áp giai đoạn chuyển tiếp, và cải thiện chất lượng điện áp. Nâng cao ổn định bằng SVC cho phép hệ thống tích hợp năng lượng mặt trời với tỷ lệ cao hơn mà không gây mất ổn định.

IV. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời tại khu vực Ninh Thuận với và không có thiết bị SVC. Kết quả mô phỏng cho thấy rõ ràng hiệu quả của SVC trong việc nâng cao ổn định hệ thống. Khi không sử dụng SVC, hệ thống đó gặp sự dao động lớn về áp suất và tần số khi công suất mặt trời thay đổi đột ngột. Sau khi tích hợp SVC, các dao động này được giảm đáng kể, thời gian ổn định tới được rút ngắn từ vài giây xuống còn khoảng 1-2 giây. Các kết quả này có thể ứng dụng trong thiết kế và vận hành các hệ thống điện mặt trời hòa lưới quy mô lớn, đặc biệt ở các vùng có tiềm năng năng lượng mặt trời phong phú như Ninh Thuận, Bình Thuận. Những phương pháp điều khiển và thiết kế này cũng có thể mở rộng cho các ứng dụng với các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió.

4.1. Quá trình mô phỏng và phương pháp đánh giá

Các mô phỏng được thực hiện bằng Matlab với mô hình chi tiết của hệ thống điện, pin mặt trời, SVC, và các bộ điều khiển tương ứng. Các tình huống khác nhau được kiểm thử để đánh giá ổn định hệ thống dưới các điều kiện vận hành khác nhau. Các chỉ số như độ vượt áp, thời gian ổn định, và tần số cực đại được theo dõi và so sánh.

4.2. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng phát triển

Kết quả nghiên cứu cung cấp hướng dẫn thiết kế cho các dự án năng lượng mặt trời quy mô lớn. SVC có thể được sử dụng để nâng cao ổn định và cho phép tích hợp năng lượng tái tạo với tỷ lệ cao hơn. Các nghiên cứu tiếp theo có thể kết hợp các thiết bị bù khác hoặc các chiến lược điều khiển thông minh để tiếp tục cải thiện ổn định hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổ ng quan Chương 2: Ổn định hệ thống điện 4 Chương 3: Mô hình toán học của hệ thống pin năng lươ ̣ng mặt trời và thiết bị bù SVC Chương 4: Mô phỏng lưới điê ̣n Ninh Thuận tích hơ ̣p năng lươ ̣ng mă ̣t trời kết hợp SVC dùng phầ n mề m Matlab Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 5 Chương 2 ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2. Các khái niệm cơ bản 2. Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ 2. Hệ thống điện (HTĐ) HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng.

Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm: - Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện. - Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện. Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Ví dụ: tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích.

Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của HTĐ. Nhiều thông số của HTĐ là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số. như là X, Y, độ từ hoá. trong phần lớn các bài toán thực tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính.

Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của máy phát, máy biến áp trong các bài toán ổn định. Chế độ của HTĐ Chế độ của HTĐ là tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng thái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó. 6 Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, δ. tại mọi điểm của HTĐ.

Đó là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi HTĐ làm việc. Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của HTĐ. Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến. Đó là dạng phi tuyến thứ hai của HTĐ, dạng phi tuyến này không thể bỏ qua trong các bài toán điện lực.

Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại: - Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem như các thông số này là hằng số. Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biến theo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng. CĐXL được chia thành: • CĐXL bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ. • CĐXL sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố.

• Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì. - Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhiều. Chế độ quá độ gồm có: • Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang CĐXL bình thường khác. • Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố.

Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ ❖ CĐXL bình thường, các yêu cầu là: 7 - Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn. - Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của HTĐ. - Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất.

- Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện. ❖ CĐXL sau sự cố, yêu cầu là: Các yêu cầu mục a được giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này để về CĐXL bình thường. ❖ Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là: - Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố. - Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như: giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch.

- Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ. Khái niệm về ổn định HTĐ 2.Cân bằ ng công suất Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ.2) 8 Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ: S2 = P2 + Q2 (2.3) Cho nên các điều kiện cân bằng công suất (2.2) không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng. Tuy vậy trong thực tế tính toán và vận hành HTĐ một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi của CSTD và CSPK tuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởng đến nhau.

Đó là: - Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của HTĐ, ảnh hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSTD. - Sự biến đổi của CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của HTĐ. Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK.

Trong khi vận hành HTĐ các điều kiện cân bằng công suất (2.2) được đảm bảo một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các điều kiện cân bằng công suất được thoả mãn. Ví dụ, khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó ta tăng CSTD của nguồn lên lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn. Hay khi đóng thêm một phụ tải CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng khác sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK.

Tất nhiên sự điều chỉnh này chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép. Các điều kiện cân bằng công suất (2.3) là các cơ sở xuất phát để tính toán các chế độ của HTĐ. Từ các điều kiện ấy ta tính được các thông số của chế độ U, I, P, Q. Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và HTĐ, quy định các giá trị cân bằng cho CSTD và CSPK như sau: - Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ f (50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép: fcp min ≤ f ≤ fcp max.

9 - Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của HTĐ nằm trong giới hạn cho phép: U cpmin ≤ U ≤ Ucpmax. Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem như sự cân bằng công suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng. Sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống. Vì ở tất cả các điểm trên hệ thống tần số luôn có giá trị chung.

Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện, chỉ cần điều chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó. Trái lại, sự cân bằng CSPK mang tính chất cục bộ thừa chỗ này thiếu chỗ khác. Việc điều chỉnh CSPK phức tạp không thể thực hiện chung cho toàn bộ hệ thống được. Trong HTĐ, máy phát điện (MP) là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệ thống, vì vậy sự cân bằng CSTD trên trục roto của các MP đóng vai trò quan trọng quyết định sự tồn tại của CĐXL.

Đây là sự cân bằng Cơ-Điện, nghĩa là sự cân bằng giữa công suất cơ học của tuabin PTB và công suất điện PMP do MP phát ra: PTB = PMP. Như trên đã nói, sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống cho nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều tức khắc tác động lên MP và gây ra sự mất cân bằng cơ điện ở đây. Đối với CSPK sự cân bằng ở các nút phụ tải lớn có ý nghĩa quan trọng hơn cả. Còn đối với các phụ tải quay cũng có sự cân bằng cơ điện công suất điện của lưới PPT và công suất cơ PC của các máy công cụ: PC = PPT.

Khái niệm ổn định HTĐ Thực tế trong hệ thống điện tồn tại vô số kích động (nhiễu) tác động lên hệ thống. Hệ thống phải đảm bảo được tính ổn định khi chịu các kích động này. Ổn định hệ thống điện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi chịu các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá huỷ. Các kích động đối với chế độ HTĐ được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn.