Nghiên Cứu Điều Khiển Nghịch Lưu Nối Lưới Khi Điện Áp Bị Sụt Giảm

Tài liệu nghiên cứu Điều khiển nghịch lưu nối lưới khi điện áp lưới bị sụt giảm, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Hồ Hữu Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Trần Quang Thọ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Điều Khiển Nghịch Lưu Nối Lưới Khi Điện Áp Bị Sụt Giảm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT BỊ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI
• 1.2. SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐỐI VỚI NGHỊCH LƯU
• 1.3. TIÊU CHUẨN ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN LIÊN QUAN ĐẾN NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI
• 1.3.1. Tiêu chuẩn Quốc tế
• 1.3.2. Tiêu chuẩn Việt Nam
• 1.4. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
• 1.4.1. Bộ điều khiển dòng điện PI
• 1.4.2. Bộ điều khiển PR
• 1.4.2.1. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển PR
• 1.4.2.2. Cơ sở nguyên lý điều khiển PR
• 1.4.3. Vòng lặp khóa pha trong điều khiển bộ nghịch lưu hòa lưới
• 1.4.3.1. Sơ đồ nguyên lý vòng lặp khóa pha
• 1.4.3.2. Nhận xét sự làm việc của bộ điều khiển vòng lặp khóa pha khi điện áp lưới bị sụt giảm
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI KHI ĐIỆN ÁP LƯỚI BỊ SỤT GIẢM
• 2.1. ĐÁNH GIÁ SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI KHI ĐIỆN ÁP LƯỚI BỊ SỤT GIẢM
• 2.2. TÁCH THÀNH PHẦN THỨ TỰ NGHỊCH KHI ĐIỆN ÁP LƯỚI SỤT GIẢM MẤT CÂN BẰNG
• 2.3. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI KHI ĐIỆN ÁP LƯỚI MẤT CÂN BẰNG
• 2.4. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG KHẢO SÁT
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ KHẢO SÁT
• 3.1. CÀI ĐẶT THAM SỐ
• 3.2. PHƯƠNG PHÁP THÔNG THƯỜNG
• 3.3. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT
• 3.3.1. Kết quả đạt được
• 3.3.2. Hướng phát triển
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT BỊ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI Trong những năm gần đây, kinh tế ngày càng phát triển, đời sống vật chất và tinh thần của người dân ngày càng tăng cao, theo đó nhu cầu tiêu thụ điện năng cho cuộc sống ngày càng gia tăng. Đi cùng với xu thế đó, để phục vụ nhu cầu năng lượng của loài người, là sự khai thác quá mức dẫn đến nguy cơ cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch phục vụ cho việc phát điện như các nguồn nhiên liệu từ than đá, dầu mỏ, khí đốt,. Ngoài ra, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch cho sản xuất điện năng đã và đang làm cho môi trường sống ngày càng bị ô nhiễm, sự phát thải các chất khí do quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch đã gây ra hiệu ứng nhà kính làm cho trái đất nóng lên và biến đổi khí hậu. Biến đổi khí hậu làm cho nhiệt độ trái đất ấm lên làm băng tan ở các vùng cực, gây ra nước biển dâng làm nhiều vùng đất đai và thành phố bị ngập lụt, biến đổi khí hậu cũng là nguyên nhân gây ra sự thay đổi của thời tiết nắng mưa thất thường và giông bão ngày càng trở nên dị thường và nguy hiểm hơn, làm cho khí hậu dịch chuyển thiên về các cực nhiều hơn,…Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đối với con người và trái đất hiện nay và được dự báo trong tương lai là vô cùng khốc liệt nếu ngay từ bây giờ con người không có giải pháp để hạn chế các tác nhân gây ra nó, mà cụ thể hơn đó là cần giảm phát thải các chất khí gây ô nhiễm môi trường và gây cho khí hậu trái đất nóng lên.

Chính vì vậy, để giảm phát thải các nguồn khí gây ô nhiễm vào môi trường do các hoạt động sản xuất điện gây ra. Hiện nay các nguồn phát điện từ năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, điện thủy triều,…, đã được chú ý phát triển ưu tiên tại nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. 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 Do các nguồn điện mặt trời hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, nên rất khó để thiết kế chỉ có các nhà máy điện mặt trời, nhà máy điện gió để cung cấp điện độc lập cho một khu vực dân cư được vì sự bất định của thời tiết dẫn đến điện lúc có lúc không, lúc phát ra nhiều năng lượng, lúc phát ra ít năng lượng.

Trong khi nhu cầu phụ tải thay đổi không giống như thay đổi của thời tiết. Để giải quyết bài toàn cân bằng phụ tải cho các nhà máy điện mặt trời, có thể dùng giải pháp nhà máy điện có hệ thống lưu trữ, tuy nhiên để xây dựng được hệ thống lưu trữ đủ lớn để cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình thì đó là bài toán kinh tế nan giải. Vì thế, phương án thích hợp nhất để cấp điện cho một khu vực dân cư rộng lớn bằng điện năng lượng mặt trời, điện gió đến thời điểm hiện tại là đấu nối nguồn điện mặt trời lên hệ thống điện và cũng đấu nối hệ thống điện đến khu vực cần cung cấp 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. Hiện nay, 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 [1]. Chỉ trong vòng 11 năm, tổng công suất điện mặt trời lắp đặt hàng năm tăng từ công suất 17 GWp vào năm 2010, thì đến năm 2021 đã có thêm 172 GWp công suất được lắp thêm vào các hệ thống điện trên toàn thế giới được thể hiện như hình 1. Đưa lũy kế tổng công suất điện mặt trời được lắp đặt đến năm 2021 là 939 GWp [2].

Một số lượng lớn các nhà máy điện mặt trời PV được lắp đặt và vận hành tức là có rất nhiều bộ nghịch lưu hòa lưới điện được lắp đặt và đưa vào vận hành nhằm biến đổi điện một chiều thành điện xoay chiều phục vụ nhu cầu của con người. Tổng công suất lắp đặt các dự án điện mặt trời PV hàng năm [2] 1.2 SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐỐI VỚI NGHỊCH LƯU Trong điều kiện vận hành bình thường, các hệ thống nghịch lưu hòa lưới thường ưu tiên phát ra công suất hữu công vào hệ thống điện. Tuy nhiên, các hệ thống nghịch lưu hòa 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 [3], [4]. 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 [5], [6].

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. 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 [7] [8], [9]. Thực tế cho thấy, các phương pháp này có nhận biết được sự tăng lên của 3 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. Hơn nữa các nghiên cứu phần lớn chú trọng đến sự cân bằng dòng điện ở các pha cho mục đích giảm các dao động công suất phía thiết bị điện một chiều mà chưa đánh giá đến khả năng thiết bị nghịch lưu bị quá dòng điện. Thêm vào đó, các giải pháp này cũng phải dùng thêm nhiều linh kiện điện tử hơn dẫn đến chi phí thiết bị tăng lên và phép toán để điều khiển thiết bị cũng phức tạp hơn.

Kỹ thuật điều khiển bão hòa trong [10] dựa vào bảng liệt kê các trạng thái công suất để điều khiển thiết bị nghịch lưu, tuy nhiên việc đưa ra giải pháp để giải quyết quá trình quá độ do thành phần điện áp thứ tự không gây ra thì nhìn chung vẫn còn tương đối phức tạp do sự dao động của thành phần công suất thứ tự không [11]. Vấn đề này ảnh hưởng đến việc phân bố công suất trong cả ba pha [17]. Nhìn chung, việc đấu nối tổ đấu dây dạng tam giác cho các cuộn dây của máy biến áp tăng áp cũng được sử dụng để triệt tiêu thành phần dòng điện thứ tự không, tuy nhiên, kiểu đấu dây quấn này có thể dẫn đến quá điện áp khi có sự cố chạm đất 1 pha. Để giải quyết vấn đề này, công bố trong [12] đã đề nghị giải pháp điều khiển thông qua phép chuyển đổi công suất tức thời nhằm nâng cao khả năng truyền công suất của thiết bị nghịch lưu hòa lưới, đồng thời cũng loại bỏ được các dao động công suất.

Tuy nhiên, việc thiết bị nghịch lưu bị quá dòng điện vẫn chưa được đánh giá đầy đủ. Trong khi vấn đề quá dòng điện của các thành phần điện tử là một trong những yếu tố quan trọng tạo nên sự hư hỏng của bộ nghịch lưu [7] [17]. Đề tài luận văn này đề xuất một giải pháp tính toán để điều chỉnh giới hạn dòng điện của thiết bị nghịch lưu hòa lưới trong trường hợp điện áp lưới mất đối xứng. Nội dung chính của phương pháp này là sử dụng vòng khóa pha có đánh giá tác động của thành phần điện áp lưới thứ tự nghịch.

Cụ thể là thông qua bộ lọc phức, tác giả đã xác định được sự sụt giảm của biên độ điện áp thứ tự thuận và sự tăng lên của biên độ điện áp thứ tự nghịch, từ đó tính lại công suất và dòng điện đi qua thiết bị nghịch lưu để không làm dòng điện bị tăng quá giá trị định mức của linh kiện điện tử công suất. 4 Do phép biến đổi trong hệ tọa độ ba pha abc sang hệ tọa độ αβ đã loại bỏ thành phần offset DC nên thành phần offset DC không cần xem xét trong báo cáo này.3 TIÊU CHUẨN ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN LIÊN QUAN ĐẾN NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI Các hệ thống phát điện mặt trời hòa lưới đang được phát triển rất nhanh từ các hệ thống nhỏ có công suất vài kW đến các hệ thống lớn có công suất hàng trăm MW đang vận hành. Các hệ thống này là một nguồn phát điện phân tán DS (Distributed Source) quan trọng trong hệ thống điện. Các hệ thống phát điện mặt trời nối lưới cần phải tuân thủ một loạt các yêu cầu tiêu chuẩn lưới điện để đảm bảo vận hành an toàn và truyền năng lượng điện liên tục vào hệ thống điện.

Ngày nay, khi mà tỷ trọng các nguồn điện mặt trời ngày càng tăng cao trong cơ cầu nguồn điện ở mỗi quốc gia thì việc các hệ thống phát điện mặt trời nối lưới phải đáp ứng các tiêu chuẩn hòa lưới ngày càng được chú trọng để đảm bảo cho hệ thống điện vận hành an toàn, liên tục và tin cậy. Thông thường, các quy định về lưới điện do đơn vị vận hành lưới điện áp dụng ở hầu hết các quốc gia.