Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh Cách mạng Công nghiệp 4.0 và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời trở nên cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, sản lượng điện từ pin mặt trời đã tăng trưởng nhanh chóng trong những năm gần đây, góp phần giảm áp lực lên lưới điện truyền thống và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, điện áp đầu ra của pin mặt trời là dòng một chiều (DC), trong khi lưới điện sử dụng điện xoay chiều (AC), do đó cần bộ nghịch lưu để chuyển đổi và đồng bộ điện áp, tần số với lưới.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC (Neutral Point Clamped) cho hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời nối lưới, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo chất lượng điện năng. Mục tiêu cụ thể là thiết kế và mô phỏng hệ thống điện tử công suất dùng cho năng lượng mặt trời nối lưới trên nền Matlab Simulink, khảo sát các kỹ thuật điều khiển PWM, thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và đánh giá hoạt động trong điều kiện lưới điện không cân bằng.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống PV công suất khoảng 2 kW, mô phỏng các điều kiện thay đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ tại Việt Nam, với điện áp lưới 400 V hiệu dụng, tần số 50 Hz. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời, đảm bảo ổn định và chất lượng điện năng khi hòa lưới, góp phần phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Tế bào quang điện (PV cell): Mô hình mạch tương đương với diode, điện trở nối tiếp và song song, đặc tuyến dòng-áp (I-V) và công suất-áp (P-V) phụ thuộc cường độ bức xạ và nhiệt độ. Điểm công suất cực đại (MPP) là điểm tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

  • Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT): Sử dụng phương pháp Perturb and Observe (P&O) và Incremental Conductance (IC) để điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter), đảm bảo hệ thống luôn hoạt động tại MPP trong điều kiện biến đổi môi trường.

  • Bộ nghịch lưu ba bậc NPC: Sử dụng 12 khóa bán dẫn điều khiển theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin PWM (SPWM) với sóng mang đồng pha, nhằm tạo ra điện áp ngõ ra AC đồng bộ với lưới điện. Mạch nghịch lưu có khả năng cân bằng điện áp điểm trung tính, giảm tổn hao và méo dạng sóng.

  • Phép biến đổi tọa độ: Áp dụng biến đổi Clarke (abc → αβ) và Park (αβ → dq) để chuyển đổi tín hiệu điện áp và dòng điện sang hệ quy chiếu đồng bộ, giúp đơn giản hóa thuật toán điều khiển dòng điện và công suất.

  • Phân tích thành phần thứ tự: Phân tích điện áp ba pha thành thành phần thuận, nghịch và không để xử lý các trường hợp lưới điện không cân bằng, từ đó thiết kế bộ điều khiển dòng điện thích hợp.

  • Vòng khóa pha (PLL): Thiết kế vòng khóa pha SRF-PLL để đồng bộ pha và tần số điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu với lưới điện, đảm bảo kết nối ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu kỹ thuật thực tế của tấm pin mặt trời công suất 200 W, mô phỏng 10 tấm mắc nối tiếp tạo thành hệ thống 2 kW. Thông số điện áp hở mạch Voc = 44.5 V, dòng ngắn mạch Isc = 5.5 A, nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi theo điều kiện thực tế.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình đa giai đoạn gồm bộ biến đổi DC-DC Boost với thuật toán MPPT P&O, bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC điều khiển PWM, bộ lọc LCL và vòng khóa pha PLL. Phân tích đặc tuyến I-V, P-V, dạng sóng điện áp, dòng điện, công suất, sóng hài tổng (THD) và đáp ứng khi lưới điện không cân bằng.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng chi tiết trong khoảng thời gian 0.5 giây với các biến đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ, khảo sát các trường hợp lưới điện cân bằng và không cân bằng. Thời gian nghiên cứu từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thuật toán MPPT P&O: Thuật toán P&O giúp hệ thống luôn vận hành gần điểm công suất cực đại, với công suất đầu ra đạt khoảng 95-98% công suất tối đa trong điều kiện cường độ bức xạ 1000 W/m² và nhiệt độ 25°C. Khi cường độ bức xạ giảm còn 250 W/m², công suất giảm tương ứng nhưng thuật toán vẫn duy trì hiệu suất cao.

  2. Chất lượng điện năng của bộ nghịch lưu NPC: Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra có độ méo dạng tổng (THD) dưới 5%, đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61727 và IEEE 1547. Bộ lọc LCL hiệu quả trong việc giảm sóng hài, đảm bảo điện áp ngõ ra ổn định ở 400 V hiệu dụng, tần số 50 Hz.

  3. Khả năng hoạt động trong lưới không cân bằng: Khi xảy ra điện áp không cân bằng trên lưới, bộ điều khiển dòng điện dạng DDSRF (Double Synchronous Reference Frame) giúp loại bỏ dao động dòng điện Id và Iq, duy trì công suất đầu ra ổn định, giảm dao động công suất tác dụng và phản kháng so với bộ điều khiển SRF thông thường. THD dòng điện giảm khoảng 20% so với phương pháp truyền thống.

  4. Đáp ứng quá độ và ổn định hệ thống: Vòng khóa pha PLL hoạt động hiệu quả trong việc đồng bộ pha và tần số, ngay cả khi lưới điện bị sụt áp hoặc méo dạng sóng. Thời gian khóa pha dưới 50 ms, đảm bảo hệ thống nhanh chóng thích ứng với biến đổi lưới.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy việc kết hợp thuật toán MPPT P&O với bộ biến đổi Boost và bộ nghịch lưu ba bậc NPC điều khiển PWM là giải pháp hiệu quả cho hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới. Việc sử dụng biến đổi tọa độ dq và phân tích thành phần thứ tự giúp thiết kế bộ điều khiển dòng điện chính xác, đặc biệt trong điều kiện lưới không cân bằng, điều này phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực điện tử công suất.

So với các nghiên cứu khác, hệ thống mô phỏng đạt được chất lượng điện năng tốt hơn nhờ bộ lọc LCL và thuật toán điều khiển DDSRF, giảm thiểu sóng hài và dao động công suất. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tuyến I-V và P-V của tấm pin mặt trời, dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra, biểu đồ THD so sánh giữa các phương pháp điều khiển, cũng như bảng số liệu công suất tác dụng và phản kháng trong các điều kiện lưới khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển DDSRF cho hệ thống nối lưới: Áp dụng bộ điều khiển dòng điện dạng DDSRF để nâng cao khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện lưới không cân bằng, giảm dao động công suất và sóng hài. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, chủ thể là các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất.

  2. Tối ưu thiết kế bộ lọc LCL: Nâng cao hiệu quả lọc sóng hài bằng cách điều chỉnh thông số bộ lọc LCL phù hợp với công suất và đặc tính lưới điện địa phương, nhằm giảm THD dưới 3%. Thời gian thực hiện 3-4 tháng, do các kỹ sư thiết kế hệ thống điện đảm nhiệm.

  3. Phát triển thuật toán MPPT kết hợp đa phương pháp: Nghiên cứu kết hợp thuật toán P&O với Incremental Conductance hoặc các phương pháp trí tuệ nhân tạo để tăng tốc độ và độ chính xác dò tìm điểm công suất cực đại, đặc biệt trong điều kiện biến đổi nhanh của môi trường. Thời gian nghiên cứu 1 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển từ xa: Thiết kế hệ thống giám sát trực tuyến để theo dõi hiệu suất và chất lượng điện năng của hệ thống PV nối lưới, giúp phát hiện sớm sự cố và điều chỉnh kịp thời. Thời gian triển khai 6 tháng, do các công ty công nghệ thông tin và điện lực phối hợp thực hiện.

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 điều khiển bộ nghịch lưu NPC, thuật toán MPPT và mô phỏng hệ thống PV nối lưới, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải pháp năng lượng tái tạo.

  2. Kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời: Tham khảo để áp dụng các kỹ thuật điều khiển và mô hình mô phỏng trong thiết kế, tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng điện năng của hệ thống PV nối lưới.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Nắm bắt công nghệ điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC và các thuật toán điều khiển hiện đại để phát triển sản phẩm phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ các tiêu chuẩn kỹ thuật, yêu cầu vận hành và khả năng ứng dụng của hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC là gì và ưu điểm của nó?
    Bộ nghịch lưu NPC là loại bộ biến đổi công suất sử dụng nhiều cấp điện áp trung gian để tạo ra điện áp ngõ ra gần dạng sóng sin hơn, giảm tổn hao và méo dạng sóng. Ưu điểm là khả năng mở rộng dễ dàng, cân bằng điện áp điểm trung tính và giảm sóng hài.

  2. Tại sao cần thuật toán MPPT trong hệ thống năng lượng mặt trời?
    MPPT giúp hệ thống luôn vận hành tại điểm công suất cực đại của tấm pin mặt trời, tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng, đặc biệt khi cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi liên tục.

  3. Vòng khóa pha (PLL) có vai trò gì trong hệ thống nối lưới?
    PLL đồng bộ pha và tần số điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu với lưới điện, đảm bảo kết nối ổn định, tránh dao động và mất đồng bộ gây hư hại thiết bị.

  4. Lưới điện không cân bằng ảnh hưởng thế nào đến hệ thống PV nối lưới?
    Lưới không cân bằng gây dao động dòng điện, công suất không ổn định, tăng sóng hài và có thể làm hư hại bộ nghịch lưu. Bộ điều khiển dòng điện dạng DDSRF giúp khắc phục vấn đề này.

  5. Bộ lọc LCL có tác dụng gì trong hệ thống?
    Bộ lọc LCL giảm sóng hài và dao động điện áp, đảm bảo chất lượng điện năng đầu ra của bộ nghịch lưu, giúp hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về sóng hài và ổn định lưới điện.

Kết luận

  • Thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu ba bậc NPC kết hợp thuật toán MPPT P&O trên Matlab Simulink đã chứng minh hiệu quả trong biến đổi và điều khiển năng lượng mặt trời nối lưới.
  • Bộ điều khiển dòng điện dạng DDSRF giúp hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện lưới điện không cân bằng, giảm dao động công suất và sóng hài.
  • Bộ lọc LCL và vòng khóa pha PLL đảm bảo chất lượng điện áp, dòng điện và đồng bộ hệ thống với lưới điện 400 V, 50 Hz.
  • Kết quả nghiên cứu phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế như IEC 61727, IEEE 1547, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống PV nối lưới.
  • Đề xuất phát triển các thuật toán MPPT nâng cao, tối ưu bộ lọc và xây dựng hệ thống giám sát từ xa là hướng nghiên cứu tiếp theo trong vòng 1-2 năm tới.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các giải pháp trong luận văn nhằm thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và khu vực.