Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng điện năng trên thế giới và tại Việt Nam dự kiến sẽ tăng mạnh trong những năm tới, với mức tăng công suất lắp đặt các nguồn năng lượng tái tạo ước tính đạt khoảng 125-130 GW vào năm 2045. Trong bối cảnh nhiên liệu hóa thạch ngày càng khan hiếm và gây ô nhiễm môi trường, năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, được xem là giải pháp thay thế hiệu quả. Việt Nam nằm trong nhóm các quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với bức xạ trung bình từ 4,1 đến 5,2 kWh/m²/ngày, đặc biệt khu vực phía Nam có tiềm năng cao nhất.

Tuy nhiên, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng không ổn định, phụ thuộc vào điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời và thời tiết, gây ra nhiều thách thức trong việc kết nối các nhà máy điện mặt trời vào hệ thống điện quốc gia. Các vấn đề kỹ thuật như điều khiển công suất thực, công suất phản kháng, hỗ trợ điện áp và tần số cần được giải quyết để đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển phương pháp điều khiển công suất thực cho các nhà máy điện mặt trời nối lưới, nhằm đáp ứng yêu cầu vận hành của trung tâm điều độ hệ thống điện, bao gồm vận hành theo điểm công suất cực đại (MPPT), điều chỉnh công suất theo yêu cầu (RPPT) và vận hành chế độ dự trữ công suất để bù đắp khi công suất phát giảm do che mây. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các nhà máy điện mặt trời có công suất lớn tại Việt Nam, sử dụng mô phỏng trên phần mềm MATLAB để đánh giá hiệu quả các thuật toán điều khiển.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác nguồn năng lượng mặt trời, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững hệ thống điện quốc gia trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng hiện nay.

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:

  • Mô hình pin mặt trời (PV cell model): Sử dụng mô hình diode đơn với các tham số như dòng bão hòa, điện áp hở mạch, điện trở nối tiếp và song song để mô phỏng đặc tính I-V và P-V của tấm pin dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau.

  • Thuật toán điều khiển công suất cực đại (MPPT): Thuật toán tìm điểm công suất cực đại nhằm khai thác tối đa công suất từ tấm pin mặt trời khi công suất yêu cầu từ hệ thống lớn hơn công suất phát hiện tại.

  • Thuật toán giảm công suất (RPPT): Thuật toán điều chỉnh giảm công suất phát khi công suất yêu cầu thấp hơn công suất cực đại, đảm bảo vận hành ổn định và tuân thủ các giới hạn kỹ thuật.

  • Mô hình biến tần PV: Biến tần DC-AC với các thành phần như bộ chuyển đổi DC-DC (buck, boost, buck-boost) và bộ biến tần xoay chiều, có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp và điều khiển công suất phát ra lưới.

  • Đường cong công suất P-Q: Mô hình biểu diễn mối quan hệ giữa công suất thực và công suất phản kháng của biến tần, giúp điều khiển công suất phản kháng hỗ trợ điện áp và tần số.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất thực (P), công suất phản kháng (Q), điểm công suất cực đại (MPPT), điểm công suất giảm (RPPT), biến tần PV, và điều khiển công suất dự trữ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, đặc tính kỹ thuật của tấm pin và biến tần từ các nhà máy điện mặt trời tại Việt Nam, cùng các tài liệu chuyên ngành và tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.

Phương pháp nghiên cứu chính là xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB, bao gồm:

  • Mô hình hóa tấm pin mặt trời theo đặc tính I-V, P-V dưới các điều kiện môi trường khác nhau.

  • Xây dựng thuật toán MPPT và RPPT để điều khiển công suất thực của nhà máy.

  • Mô phỏng hoạt động biến tần DC-DC và DC-AC, kết hợp điều khiển công suất phản kháng.

  • Thực hiện các kịch bản mô phỏng với các điều kiện bức xạ thay đổi, yêu cầu công suất từ trung tâm điều độ khác nhau.

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các nhà máy điện mặt trời có công suất từ vài chục MW đến hàng trăm MW, được lựa chọn dựa trên tiêu chí đại diện cho các vùng miền và quy mô khác nhau. Phương pháp chọn mẫu là chọn các nhà máy có dữ liệu đầy đủ và tiêu biểu cho thực tế vận hành tại Việt Nam.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2019 đến tháng 8/2020, với các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thuật toán MPPT: Mô hình mô phỏng cho thấy thuật toán MPPT giúp khai thác công suất tối đa từ tấm pin mặt trời, với công suất phát đạt khoảng 95-98% công suất cực đại lý thuyết trong điều kiện bức xạ ổn định. So sánh với các thuật toán truyền thống, MPPT cải thiện công suất phát trung bình lên 5-7%.

  2. Khả năng điều chỉnh công suất theo yêu cầu (RPPT): Thuật toán RPPT cho phép giảm công suất phát một cách linh hoạt khi yêu cầu từ trung tâm điều độ thấp hơn công suất cực đại, giúp nhà máy vận hành ổn định và giảm thiểu ảnh hưởng đến lưới điện. Mức giảm công suất có thể điều chỉnh trong khoảng 10-100% công suất cực đại.

  3. Vận hành chế độ dự trữ công suất: Khi có hiện tượng che mây làm giảm công suất phát, nhà máy có thể vận hành chế độ dự trữ công suất để bù đắp công suất mất mát, duy trì công suất phát theo yêu cầu. Mô phỏng cho thấy chế độ này giúp giảm thiểu dao động công suất phát xuống dưới 5%, cải thiện độ ổn định của hệ thống.

  4. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường: Công suất phát thực tế của nhà máy phụ thuộc mạnh vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường. Ví dụ, khi bức xạ giảm 20%, công suất phát giảm tương ứng khoảng 18-22%. Nhiệt độ tăng cao làm giảm hiệu suất pin khoảng 0,4-0,5% mỗi độ C trên 25°C.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến động công suất là do tính chất không ổn định của nguồn năng lượng mặt trời, đặc biệt là sự thay đổi nhanh chóng của bức xạ do che mây hoặc thời tiết xấu. Thuật toán MPPT và RPPT được thiết kế để thích ứng với các biến động này, giúp nhà máy vận hành hiệu quả và đáp ứng yêu cầu điều độ.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng phù hợp với các báo cáo quốc tế về hiệu suất MPPT và khả năng điều chỉnh công suất của các nhà máy điện mặt trời nối lưới. Việc bổ sung chế độ dự trữ công suất là điểm mới, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực lên hệ thống điện khi công suất phát giảm đột ngột.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ công suất phát theo thời gian, đường cong P-V và P-Q của biến tần, cũng như bảng so sánh hiệu suất các thuật toán điều khiển. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự thay đổi công suất theo điều kiện môi trường và yêu cầu vận hành.

Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về điều khiển công suất thực cho nhà máy điện mặt trời, hỗ trợ phát triển các giải pháp kỹ thuật phù hợp với đặc thù hệ thống điện Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thuật toán MPPT và RPPT trong hệ thống điều khiển nhà máy: Áp dụng các thuật toán điều khiển công suất thực để tối ưu hóa công suất phát và đáp ứng linh hoạt yêu cầu điều độ, nâng cao hiệu quả vận hành. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các nhà vận hành và đơn vị thiết kế hệ thống.

  2. Phát triển chế độ dự trữ công suất: Xây dựng và tích hợp chế độ vận hành dự trữ công suất nhằm bù đắp công suất mất mát do biến động môi trường, giảm thiểu ảnh hưởng lên lưới điện. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể: các nhà sản xuất thiết bị và trung tâm điều độ.

  3. Nâng cao chất lượng dữ liệu môi trường: Tăng cường hệ thống đo đạc và dự báo bức xạ mặt trời, nhiệt độ để cải thiện độ chính xác mô hình và điều khiển. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: các cơ quan nghiên cứu và quản lý năng lượng.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư vận hành về các thuật toán điều khiển công suất và quản lý nhà máy điện mặt trời. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

  5. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho nhà máy điện mặt trời: Đề xuất các tiêu chuẩn về điều khiển công suất thực và phản kháng, đảm bảo tính tương thích và an toàn khi kết nối vào hệ thống điện quốc gia. Thời gian thực hiện: 18 tháng. Chủ thể: Bộ Công Thương và các tổ chức tiêu chuẩn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa và điều khiển công suất nhà máy điện mặt trời, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành nhà máy điện mặt trời: Cung cấp các thuật toán và mô hình điều khiển thực tế, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và đáp ứng yêu cầu điều độ hệ thống điện.

  3. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng: Giúp hiểu rõ các thách thức kỹ thuật khi phát triển năng lượng mặt trời, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phù hợp và tiêu chuẩn kỹ thuật.

  4. Các nhà sản xuất thiết bị và phần mềm điều khiển: Tham khảo các mô hình và thuật toán để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu vận hành nhà máy điện mặt trời nối lưới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần điều khiển công suất thực cho nhà máy điện mặt trời?
    Điều khiển công suất thực giúp nhà máy phát điện phù hợp với yêu cầu của trung tâm điều độ, đảm bảo vận hành ổn định và tránh quá tải hoặc thiếu tải trên lưới điện. Ví dụ, khi công suất yêu cầu thấp hơn công suất cực đại, nhà máy cần giảm công suất để tránh gây mất cân bằng.

  2. Thuật toán MPPT hoạt động như thế nào?
    MPPT tìm điểm công suất cực đại trên đặc tính P-V của tấm pin mặt trời bằng cách điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện đầu ra, từ đó khai thác tối đa năng lượng mặt trời trong điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi.

  3. Làm sao nhà máy điện mặt trời bù đắp công suất khi bị che mây?
    Nhà máy vận hành chế độ dự trữ công suất, sử dụng năng lượng lưu trữ hoặc điều chỉnh công suất phản kháng để bù đắp công suất mất mát, giúp duy trì công suất phát ổn định theo yêu cầu.

  4. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB để xây dựng mô hình mô phỏng tấm pin, biến tần và thuật toán điều khiển, cho phép đánh giá hiệu quả các giải pháp trong nhiều kịch bản vận hành khác nhau.

  5. Những thách thức chính khi kết nối nhà máy điện mặt trời vào lưới điện là gì?
    Bao gồm biến động công suất do nguồn năng lượng không ổn định, điều khiển công suất phản kháng để hỗ trợ điện áp, đảm bảo tần số và độ tin cậy của hệ thống điện, cũng như tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và quốc tế.

Kết luận

  • Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn tại Việt Nam, đóng vai trò quan trọng trong chuyển đổi năng lượng quốc gia.
  • Thuật toán MPPT và RPPT được phát triển giúp điều khiển công suất thực hiệu quả, đáp ứng yêu cầu vận hành của trung tâm điều độ.
  • Chế độ dự trữ công suất giúp giảm thiểu tác động của biến động môi trường lên công suất phát và ổn định hệ thống điện.
  • Mô hình mô phỏng trên MATLAB cung cấp công cụ đánh giá và tối ưu hóa các giải pháp điều khiển công suất cho nhà máy điện mặt trời.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế các thuật toán, nâng cao hệ thống đo đạc môi trường và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.

Khuyến nghị các nhà nghiên cứu, kỹ sư vận hành và nhà hoạch định chính sách tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp điều khiển công suất để phát triển bền vững ngành năng lượng mặt trời tại Việt Nam.