Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng, việc khai thác các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống như than đá, dầu mỏ đang gây ra nhiều hệ lụy về môi trường và biến đổi khí hậu. Theo ước tính, tổng công suất điện mặt trời lắp đặt toàn cầu đã tăng từ 17 GWp năm 2010 lên đến 939 GWp vào năm 2021, cho thấy sự phát triển nhanh chóng của năng lượng tái tạo. Tại Việt Nam, các nhà máy điện mặt trời và điện gió được đấu nối vào lưới điện quốc gia thông qua các thiết bị nghịch lưu nối lưới nhằm đảm bảo cung cấp điện ổn định và hiệu quả.

Tuy nhiên, khi điện áp lưới bị sụt giảm hoặc mất cân bằng, các thiết bị nghịch lưu nối lưới có thể gặp phải hiện tượng quá dòng và sóng hài tăng cao, gây hư hỏng linh kiện điện tử công suất. Vấn đề này đặt ra yêu cầu cấp thiết về nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển nghịch lưu để đảm bảo vận hành an toàn, ổn định trong điều kiện điện áp lưới không ổn định. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và mô phỏng giải thuật điều khiển nghịch lưu nối lưới khi điện áp lưới bị sụt giảm, lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp và khảo sát hiệu quả giải pháp đề xuất trên phần mềm Simulink - Matlab. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống nghịch lưu ba pha ba dây nối lưới điện tại Việt Nam, với các tham số kỹ thuật và tiêu chuẩn vận hành hiện hành. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị nghịch lưu, đồng thời góp phần đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành hệ thống điện phân tán năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển nghịch lưu nối lưới, bao gồm:

  • Bộ điều khiển dòng điện PI (Proportional Integral): Sử dụng hệ tọa độ đồng bộ dq để điều khiển dòng điện phát lên lưới, tuy nhiên có nhược điểm về sai số xác lập và độ vọt lố lớn, ảnh hưởng đến hiệu quả điều khiển.

  • Bộ điều khiển PR (Proportional Resonance): Ưu điểm là phù hợp với tín hiệu dạng sin, loại bỏ sai số xác lập và sử dụng hệ tọa độ tĩnh αβ, giúp tăng đáp ứng động và giảm sai số điều khiển.

  • Vòng lặp khóa pha PLL (Phase Locked Loop): Được dùng để ước lượng biên độ, tần số và góc pha của điện áp lưới, là cơ sở để điều khiển nghịch lưu. Khi điện áp lưới mất cân bằng, thành phần điện áp thứ tự nghịch xuất hiện gây dao động các tham số ước lượng.

  • Phân tách thành phần điện áp thứ tự thuận và thứ tự nghịch: Sử dụng bộ lọc phức để tách riêng các thành phần điện áp nhằm tính toán lại công suất và dòng điện đặt cho nghịch lưu, giúp hạn chế quá dòng và dao động công suất.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp thứ tự thuận và thứ tự nghịch, công suất tác dụng và phản kháng, hệ tọa độ αβ và dq, sóng hài dòng điện, công suất biểu kiến, và tiêu chuẩn kỹ thuật nối lưới.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được thu thập từ hệ thống nghịch lưu ba pha ba dây với các thông số kỹ thuật thực tế như điện áp DC 700 V, điện áp lưới 380 V, tần số 50 Hz, công suất định mức 20 kVA.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp giải tích để xây dựng các phương trình mô tả cân bằng điện áp, công suất trong hệ thống nghịch lưu. Phương pháp mô phỏng trên phần mềm Simulink - Matlab được áp dụng để trực quan hóa và kiểm chứng hiệu quả giải pháp điều khiển đề xuất.

  • Timeline nghiên cứu: Khảo sát mô phỏng trong hai giai đoạn: từ 0 đến 0,2 giây (điện áp lưới bình thường) và từ 0,2 đến 0,7 giây (xảy ra sự cố sụt giảm điện áp không cân bằng). Các tham số điều khiển được tối ưu hóa bằng thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO).

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng được thiết lập dựa trên hệ thống nghịch lưu điển hình được sử dụng phổ biến trong các nhà máy điện mặt trời tại Việt Nam, đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng thực tiễn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của điện áp lưới sụt giảm không cân bằng: Khi điện áp pha B và C giảm còn 60% định mức, các tham số ước lượng của bộ điều khiển PLL theo phương pháp thông thường dao động mạnh, dẫn đến dòng điện phát ra vượt quá giới hạn định mức (dòng đỉnh lên đến 52,2 A, tăng 12% so với định mức 42 A). Độ biến dạng sóng hài toàn phần (THD) tăng vượt ngưỡng cho phép, với pha C lên đến 12,97%, vượt mức tiêu chuẩn 5%.

  2. Hiệu quả của phương pháp đề xuất: Sử dụng bộ lọc phức để tách thành phần điện áp thứ tự thuận và nghịch giúp điều chỉnh lại dòng điện đặt, giảm dòng điện đỉnh và dao động công suất. Dòng điện ngõ ra ổn định hơn, THD giảm đáng kể, đảm bảo dòng điện không vượt quá giới hạn linh kiện điện tử công suất.

  3. So sánh công suất phát lên lưới: Phương pháp đề xuất duy trì công suất phát lên lưới ổn định trong điều kiện điện áp lưới bị sụt giảm, trong khi phương pháp thông thường gây dao động công suất lớn, ảnh hưởng đến độ bền của thiết bị và hệ thống.

  4. Độ tin cậy mô phỏng: Các kết quả mô phỏng trên Simulink - Matlab phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành và phản ánh chính xác các hiện tượng thực tế trong vận hành nghịch lưu nối lưới.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng quá dòng và sóng hài tăng cao khi điện áp lưới bị sụt giảm là do thành phần điện áp thứ tự nghịch xuất hiện, làm sai lệch các tham số điều khiển trong vòng khóa pha PLL. Phương pháp điều khiển thông thường không tách riêng được các thành phần này, dẫn đến tính toán dòng điện đặt không chính xác, gây quá tải cho linh kiện điện tử công suất.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã đề xuất giải pháp sử dụng bộ lọc phức để phân tách thành phần điện áp thứ tự thuận và nghịch, từ đó tính toán lại công suất và dòng điện đặt phù hợp với điều kiện mất cân bằng điện áp. Giải pháp này không chỉ giảm thiểu nguy cơ quá dòng mà còn hạn chế dao động công suất, nâng cao độ bền và hiệu quả vận hành của nghịch lưu nối lưới.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh dòng điện đỉnh và THD giữa hai phương pháp, cũng như bảng tổng hợp các thông số công suất và dòng điện tại các thời điểm khảo sát, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bộ lọc phức trong vòng khóa pha PLL: Động từ hành động: triển khai; Target metric: giảm dòng điện đỉnh và THD dưới 5%; Timeline: trong vòng 6 tháng; Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất và vận hành thiết bị nghịch lưu.

  2. Tối ưu tham số bộ điều khiển PR và PLL: Động từ hành động: điều chỉnh; Target metric: tăng độ ổn định dòng điện và công suất; Timeline: 3-6 tháng; Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và kỹ sư điều khiển.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành nghịch lưu trong điều kiện điện áp lưới không ổn định: Động từ hành động: ban hành; Target metric: đảm bảo an toàn thiết bị và hệ thống điện; Timeline: 1 năm; Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức tiêu chuẩn.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ thuật viên vận hành: Động từ hành động: tổ chức; Target metric: nâng cao kỹ năng xử lý sự cố và vận hành an toàn; Timeline: liên tục; Chủ thể thực hiện: các trung tâm đào tạo và doanh nghiệp điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện năng lượng tái tạo: Giúp hiểu rõ các hiện tượng mất cân bằng điện áp và cách điều khiển nghịch lưu hiệu quả, áp dụng trong vận hành thực tế.

  2. Nhà sản xuất thiết bị nghịch lưu: Cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế và cải tiến bộ điều khiển, nâng cao độ bền và hiệu suất thiết bị.

  3. Cơ quan quản lý và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật: Hỗ trợ xây dựng các quy định kỹ thuật phù hợp với thực tế vận hành hệ thống điện phân tán.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về điều khiển nghịch lưu nối lưới trong điều kiện điện áp lưới không ổn định, phục vụ nghiên cứu và phát triển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điện áp lưới bị sụt giảm ảnh hưởng như thế nào đến nghịch lưu nối lưới?
    Điện áp lưới sụt giảm gây ra thành phần điện áp thứ tự nghịch, làm tăng dòng điện qua nghịch lưu và sóng hài, có thể gây hư hỏng linh kiện. Ví dụ, khi điện áp pha giảm còn 60%, dòng điện đỉnh tăng 12% so với định mức.

  2. Tại sao cần tách riêng thành phần điện áp thứ tự thuận và nghịch?
    Việc tách giúp tính toán lại công suất và dòng điện đặt chính xác, hạn chế quá dòng và dao động công suất, đảm bảo vận hành an toàn và ổn định.

  3. Phương pháp điều khiển PR có ưu điểm gì so với PI?
    Bộ điều khiển PR loại bỏ sai số xác lập, phù hợp với tín hiệu sin và tăng đáp ứng động, giúp giảm độ vọt lố và cải thiện chất lượng dòng điện.

  4. Tiêu chuẩn kỹ thuật nào quy định thời gian duy trì phát điện khi điện áp lưới bị sụt giảm?
    Theo Thông tư số 30/2019/TT-BCT, thời gian duy trì phát điện tối thiểu phụ thuộc vào mức điện áp tại điểm đấu nối, ví dụ điện áp dưới 0,3 pu duy trì ít nhất 0,15 giây.

  5. Làm thế nào để giảm sóng hài dòng điện trong nghịch lưu nối lưới?
    Sử dụng bộ lọc LC và điều khiển chính xác bằng bộ điều khiển PR kết hợp với tách thành phần điện áp thứ tự nghịch giúp giảm sóng hài, đảm bảo THD dưới 5% theo tiêu chuẩn.

Kết luận

  • Đề tài đã nghiên cứu và mô phỏng thành công giải pháp điều khiển nghịch lưu nối lưới khi điện áp lưới bị sụt giảm và mất cân bằng, sử dụng bộ lọc phức để tách thành phần điện áp thứ tự thuận và nghịch.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất giảm đáng kể dòng điện đỉnh và sóng hài, nâng cao độ bền và an toàn cho thiết bị nghịch lưu.
  • Phương pháp điều khiển PR kết hợp vòng khóa pha PLL được tối ưu giúp cải thiện hiệu quả điều khiển trong điều kiện điện áp lưới không ổn định.
  • Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong vận hành các hệ thống điện mặt trời và năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực vận hành.

Hành động ngay: Các đơn vị sản xuất và vận hành thiết bị nghịch lưu nên áp dụng giải pháp điều khiển đề xuất để nâng cao hiệu quả và độ bền thiết bị, đồng thời phối hợp với cơ quan quản lý để cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.