I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Điều Khiển Nghịch Lưu Nối Lưới Hiện Nay
Trong bối cảnh kinh tế phát triển và nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng, việc khai thác quá mức các nguồn nhiên liệu hóa thạch đã dẫn đến nguy cơ cạn kiệt và ô nhiễm môi trường. Do đó, các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió ngày càng được ưu tiên phát triển. Các nhà máy điện năng lượng mặt trời và điện gió khi đấu nối vào lưới điện thông qua các thiết bị nghịch lưu nối lưới để phát công suất lên lưới điện thì phải chịu sự ràng buộc của các tiêu chí kỹ thuật của lưới điện để đảm bảo vận hành toàn hệ thống điện an toàn, hiệu quả, kinh tế. Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu các bộ nghịch lưu nối lưới đáp ứng yêu cầu của lưới điện như khả năng điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng, đáp ứng tần số, đáp ứng điện áp, chất lượng điện năng, bảo vệ, v. Các nguồn phát điện từ năng lượng tái tạo là những nguồn năng lượng vô tận, không ảnh hưởng đến môi trường như các nguồn phát điện khác từ nhiên liệu hóa thạch và có thể thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống trong tương lai.
1.1. Sự Phát Triển Của Thiết Bị Nghịch Lưu Nối Lưới
Bộ nghịch lưu nối lưới ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ tính linh hoạt và hiệu quả trong kết nối các nguồn phát điện khác nhau như điện gió, điện mặt trời, điện pin lưu trữ với hệ thống điện. Tổng công suất điện mặt trời lắp đặt hàng năm đã tăng đáng kể, từ 17 GWp năm 2010 lên 172 GWp năm 2021, đưa tổng công suất lũy kế lên 939 GWp. Điều này cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nghịch lưu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
1.2. Vai Trò Của Nghịch Lưu Trong Hệ Thống Điện Hiện Đại
Với sự phát triển của kỹ thuật sản xuất công nghệ sản xuất các van bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật điều khiển điện tử thì bộ nghịch lưu nối lưới ngày càng được sử dụng rộng rãi bởi vì tính linh hoạt và hiệu quả trong kết nối các nguồn phát điện khác nhau như điện gió, điện mặt trời, điện pin lưu trữ với hệ thống điện. Khi lượng năng lượng sơ cấp để phục vụ phát điện cho điện mặt trời nhiều hơn khả năng tiêu thụ của phụ tải tại chỗ thì điện năng dư thừa sẽ được phát lên lưới và truyền tải sang các vùng phụ tải lân cận. Ngược lại khi bức xạ thấp hoặc vào ban đêm thì điện năng cung cấp cho phụ tải tại chỗ sẽ được nhận từ lưới điện.
II. Thách Thức Ảnh Hưởng Của Điện Áp Sụt Giảm Đến Nghịch Lưu
Trong điều kiện vận hành bình thường, các hệ thống nghịch lưu nối lưới thường ưu tiên phát ra công suất hữu công vào hệ thống điện. Tuy nhiên, các hệ thống nghịch lưu nối lưới cần được thiết kế để có thể phát ra và thu nhận công suất vô công để hỗ trợ hệ thống điện khi có sự cố giảm điện áp hay mất đối xứng ở điện áp phía lưới điện. Khi xảy ra sự cố tụt giảm điện áp hay điện áp lưới mất đối xứng sẽ tạo ra thành phần điện áp thứ tự nghịch. Chính các thành phần điện áp thứ tự nghịch sẽ làm suy giảm khả năng phát công suất tác dụng của thiết bị. Khi điện áp lưới điện bị sụt giảm, nếu giữ nguyên công suất định mức sẽ làm tăng dòng điện qua bộ nghịch lưu. Chính sự tăng dòng điện này có thể dẫn đến các hỏng hóc trong các linh kiện điện tử công suất của thiết bị nghịch lưu.
2.1. Tác Động Của Điện Áp Lưới Mất Cân Bằng
Khi điện áp lưới bị sụt giảm, nếu giữ nguyên công suất định mức sẽ làm tăng dòng điện qua bộ nghịch lưu. Chính sự tăng dòng điện này có thể dẫn đến các hỏng hóc trong các linh kiện điện tử công suất của thiết bị nghịch lưu. Đối với các giải pháp để điều khiển thiết bị nghịch lưu hòa lưới theo cách thông thường thì thường ít có khả năng giới hạn dòng điện đi qua, dẫn đến nguy cơ bộ nghịch lưu bị quá dòng điện gây hư hỏng thiết bị.
2.2. Nguy Cơ Quá Dòng Và Hư Hỏng Thiết Bị
Khi điện áp lưới điện bị sụt giảm, nếu giữ nguyên công suất định mức sẽ làm tăng dòng điện qua bộ nghịch lưu. Chính sự tăng dòng điện này có thể dẫn đến các hỏng hóc trong các linh kiện điện tử công suất của thiết bị nghịch lưu. Đối với các giải pháp để điều khiển thiết bị nghịch lưu hòa lưới theo cách thông thường thì thường ít có khả năng giới hạn dòng điện đi qua, dẫn đến nguy cơ bộ nghịch lưu bị quá dòng điện gây hư hỏng thiết bị.
2.3. Giới Hạn Của Các Phương Pháp Điều Khiển Truyền Thống
Đối với các giải pháp để điều khiển thiết bị nghịch lưu hòa lưới theo cách thông thường thì thường ít có khả năng giới hạn dòng điện đi qua, dẫn đến nguy cơ bộ nghịch lưu bị quá dòng điện gây hư hỏng thiết bị. Có nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và đã được công bố về vấn đề điều khiển thiết bị nghịch lưu hòa lưới trong điều kiện điện áp lưới bị mất cân bằng. Thực tế cho thấy, các phương pháp này có nhận biết được sự tăng lên của điện áp thứ tự nghịch, còn thành phần điện áp thứ tự thuận thì nhận biết giữ nguyên khi sự cố điện áp lưới dẫn đến nguy cơ quá dòng cho linh kiện điện tử công suất do chưa tính toán lại công suất của bộ nghịch lưu do điện áp thứ tự thuận bị giảm thấp.
III. Phương Pháp Điều Khiển Bù Điện Áp Cho Nghịch Lưu Nối Lưới
Để giải quyết vấn đề điện áp sụt giảm, cần có các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn. Một trong số đó là điều khiển bù điện áp, giúp ổn định điện áp lưới và đảm bảo hoạt động an toàn của nghịch lưu. Các phương pháp này thường tập trung vào việc phát và thu nhận công suất vô công để hỗ trợ hệ thống điện khi có sự cố, đồng thời giảm thiểu tác động của thành phần điện áp thứ tự nghịch. Các phương pháp này có nhận biết được sự tăng lên của điện áp thứ tự nghịch, còn thành phần điện áp thứ tự thuận thì nhận biết giữ nguyên khi sự cố điện áp lưới dẫn đến nguy cơ quá dòng cho linh kiện điện tử công suất do chưa tính toán lại công suất của bộ nghịch lưu do điện áp thứ tự thuận bị giảm thấp.
3.1. Điều Khiển Công Suất Phản Kháng Hỗ Trợ Lưới Điện
Các hệ thống nghịch lưu nối lưới cần được thiết kế để có thể phát ra và thu nhận công suất vô công để hỗ trợ hệ thống điện khi có sự cố giảm điện áp hay mất đối xứng ở điện áp phía lưới điện. Khi xảy ra sự cố tụt giảm điện áp hay điện áp lưới mất đối xứng sẽ tạo ra thành phần điện áp thứ tự nghịch. Chính các thành phần điện áp thứ tự nghịch sẽ làm suy giảm khả năng phát công suất tác dụng của thiết bị.
3.2. Giới Hạn Dòng Điện Để Bảo Vệ Linh Kiện
Đối với các giải pháp để điều khiển thiết bị nghịch lưu hòa lưới theo cách thông thường thì thường ít có khả năng giới hạn dòng điện đi qua, dẫn đến nguy cơ bộ nghịch lưu bị quá dòng điện gây hư hỏng thiết bị. Có nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và đã được công bố về vấn đề điều khiển thiết bị nghịch lưu hòa lưới trong điều kiện điện áp lưới bị mất cân bằng.
3.3. Tách Thành Phần Thứ Tự Để Điều Khiển Chính Xác
Giải pháp thực hiện tách riêng các thành phần điện áp lưới thứ tự thuận, thành phần điện áp lưới thứ tự nghịch của véc tơ điện áp lưới khi có sự cố sụt giảm điện áp không cân bằng. Điều này cho phép tính toán và ước lượng các thông số của véc tơ điện áp lưới để điều khiển công suất tác dụng và điều khiển công suất phản kháng phát ra của thiết bị nghịch lưu nối lưới.
IV. Ứng Dụng Thực Tế Mô Phỏng Điều Khiển Nghịch Lưu Khi Sụt Áp
Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng hệ thống nghịch lưu nối lưới trên phần mềm Simulink - Matlab để khảo sát các trường hợp thay đổi điện áp và đánh giá hiệu quả của giải pháp điều khiển đã đề xuất. Mô hình mô phỏng cho phép xem xét sự ảnh hưởng của sự sụt giảm điện áp lưới đến sự vận hành của bộ nghịch lưu nối lưới, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa và đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả.
4.1. Mô Hình Hóa Hệ Thống Nghịch Lưu Trên Simulink
Thiết lập một mô hình điều khiển hệ thống nghịch lưu hòa lưới và xem xét được sự ảnh hưởng của sự sụt giảm của điện áp lưới đến sự vận hành của bộ nghịch lưu nối lưới. Các bước tiến hành - Tìm hiểu tổng quan về hệ thống điện pin mặt trời nối lưới; - Nghiên cứu giải pháp tách riêng thành phần điện áp, dòng điện thứ tự thuận, thứ tự nghịch trong trường hợp điện áp lưới bị suy giảm mạnh để thực hiện việc điều khiển thiết bị nghịch lưu ba pha trong hệ thống điện năng lượng tái tạo đấu nối lưới điện.
4.2. Khảo Sát Các Trường Hợp Sụt Áp Khác Nhau
Dựa vào mô hình đã thực hiện mô phỏng trên chương trình mô phỏng Simulink - Matlab, để khảo sát các trường hợp thay đổi điện áp để nhận xét hiệu quả của giải pháp đã đề xuất áp dụng. Nghiên cứu điều khiển, cho giải pháp đề xuất đảm bảo tính khoa học và tính thực tiễn, mô phỏng hệ thống trên chương trình mô phỏng Simulink - Matlab nhằm đảm bảo tính trực quan trong vùng khảo sát.
4.3. Đánh Giá Hiệu Quả Của Giải Pháp Đề Xuất
Thông qua kết quả đã được nghiên cứu sẽ tạo điều kiện thuận lợi để hiểu sâu hơn về sự vận hành các thiết bị nghịch lưu hòa lưới hiện nay đang được sử dụng rất nhiều trong các dự án điện mặt trời ở Việt Nam. Từ đó có thể đưa ra đề xuất về các biện pháp phòng ngừa đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả các bộ nghịch lưu hòa lưới.
V. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Điều Khiển Nghịch Lưu Tương Lai
Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp điều khiển hệ thống nghịch lưu nối lưới khi có sự cố điện áp sụt giảm. Kết quả cho thấy giải pháp đề xuất có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển, tích hợp các chức năng bảo vệ nâng cao, và thử nghiệm thực tế trên các hệ thống điện quy mô lớn.
5.1. Tối Ưu Hóa Thuật Toán Điều Khiển
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển, tích hợp các chức năng bảo vệ nâng cao, và thử nghiệm thực tế trên các hệ thống điện quy mô lớn. Nghiên cứu giải pháp tách riêng thành phần điện áp, dòng điện thứ tự thuận, thứ tự nghịch trong trường hợp điện áp lưới bị suy giảm mạnh để thực hiện việc điều khiển thiết bị nghịch lưu ba pha trong hệ thống điện năng lượng tái tạo đấu nối lưới điện.
5.2. Tích Hợp Chức Năng Bảo Vệ Nâng Cao
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển, tích hợp các chức năng bảo vệ nâng cao, và thử nghiệm thực tế trên các hệ thống điện quy mô lớn. Thông qua kết quả đã được nghiên cứu sẽ tạo điều kiện thuận lợi để hiểu sâu hơn về sự vận hành các thiết bị nghịch lưu hòa lưới hiện nay đang được sử dụng rất nhiều trong các dự án điện mặt trời ở Việt Nam.
