Luận văn thạc sĩ về kỹ thuật điều khiển voltvar cho bộ nghịch lưu điện mặt trời thông minh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu kỹ thuật điều khiển VoltVar cho bộ nghịch lưu điện mặt trời thông minh, ứng dụng hiệu quả trong hệ thống năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Lê Đình Tưởng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Quốc Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Kỹ thuật điều khiển Volt-Var cho bộ nghịch lưu điện mặt trời thông minh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU SMART INVERTER
• 1.1. Chức năng của bộ nghịch lưu Smart Inverter
• 1.1.1. Chức năng tự vận hành
• 1.1.2. Chức năng giao tiếp, điều khiển từ xa
• 1.1.3. Chức năng Smart Inverters theo tiêu chuẩn CA Rule 21
• 1.2. Định hướng nghiên cứu
• 1.2.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.2.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VOLT-VAR
• 2.1. Xây dựng giải thuật Volt-Var Control (VVC) trong hệ trục tọa độ dq0
• 2.1.1. Bộ điều khiển dòng
• 2.1.2. Cách xác định idref
• 2.1.3. Cách xác định iqref
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
• 3.1. Sơ đồ mô phỏng PV nối lưới 3 pha
• 3.1.1. Pin mặt trời
• 3.1.2. Bộ biến đổi công suất Boost Converter DC/DC
• 3.1.3. Bộ nghịch lưu Inverter DC/AC
• 4. CHƯƠNG 4: TÌNH HUỐNG 1 - ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN KHÔNG ỔN ĐỊNH
• 4.1. PV đang ở chế độ Ipref
• 4.2. PV đang ở chế độ Qref
• 4.3. PV đang ở chế độ tự hành Vref = 1pu
• 5. CHƯƠNG 5: TÌNH HUỐNG 2 - HỆ THỐNG ĐIỆN XẢY RA SỰ CỐ NGẮN MẠCH
• 5.1. PV đang ở chế độ Ipref
• 5.2. PV đang ở chế độ Qref
• 5.3. PV đang ở chế độ tự hành Vref = 1pu
• 6. CHƯƠNG 6: TÌNH HUỐNG 3 - HAI HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CÙNG KẾT HỢP VÀO LƯỚI ĐIỆN
• 6.1. Chế độ tự vận hành Vref = 1pu khi lưới điện hoạt động bình thường
• 6.2. Chế độ điều khiển Qref từ hệ thống điều khiển trung tâm
• 6.3. Chế độ tự vận hành Vref = 1pu khi lưới điện ngắn mạch 3 pha
• 6.4. Chế độ điều khiển Qref từ hệ thống điều khiển trung tâm khi lưới điện ngắn mạch 3 pha

Tóm tắt

I. Kỹ thuật điều khiển Volt Var

Kỹ thuật điều khiển Volt-Var là trọng tâm của nghiên cứu, tập trung vào việc điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng trong hệ thống điện mặt trời. Bộ nghịch lưu điện mặt trời thông minh không chỉ chuyển đổi năng lượng DC thành AC mà còn thực hiện chức năng điều áp thông qua điều khiển công suất phản kháng. Nghiên cứu đề xuất ba phương án điều khiển công suất phản kháng để so sánh hiệu quả. Volt-Var Control (VVC) được ứng dụng trong các bài toán thực tế như sụt áp và ngắn mạch, với kết quả được kiểm chứng qua mô phỏng.

1.1. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết cho kỹ thuật điều khiển Volt-Var, bao gồm các giải thuật điều khiển và ảnh hưởng của chúng khi hệ thống hoạt động độc lập hoặc kết nối lưới. Công suất phản kháng (Q) và công suất tác dụng (P) là hai thành phần chính mà hệ thống có thể cung cấp. Các phương pháp điều khiển công suất phản kháng như thiết bị bù nối tiếp, tụ bù tinh, và FACTS được phân tích. Smart Inverter có khả năng đồng thời cung cấp cả công suất hiệu dụng và phản kháng, đảm bảo chất lượng điện áp.

1.2. Giải thuật điều khiển

Giải thuật Volt-Var Control được xây dựng trong hệ trục tọa độ dq0, sử dụng phương pháp điều rộng xung vector không gian (SVPWM) để điều khiển các khóa IGBT. Bộ điều khiển dòng và áp được thiết kế với các tham số PI tối ưu, đảm bảo đáp ứng nhanh và ổn định. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của giải thuật trong việc điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng, đặc biệt trong các tình huống sụt áp và ngắn mạch.

II. Bộ nghịch lưu điện mặt trời thông minh

Bộ nghịch lưu điện mặt trời thông minh là thiết bị chính trong hệ thống năng lượng mặt trời, có khả năng tự vận hành và giao tiếp từ xa. Nghiên cứu tập trung vào các chức năng của Smart Inverter như điều khiển Volt-Watt, Frequency-Watt, và Volt-Var. Các tiêu chuẩn như IEC 61850-7, UL 1741, và IEEE P1547a được áp dụng để đảm bảo tính tương thích và hiệu quả của hệ thống.

2.1. Chức năng tự vận hành

Smart Inverter có khả năng tự quyết định dựa trên các thông số cài đặt trước, bao gồm chức năng Volt-Var, Frequency-Watt, và Watt-Power Factor. Chức năng tự vận hành cho phép hệ thống thích ứng với các điều kiện thực tế như thay đổi bức xạ mặt trời hoặc sự cố lưới điện. Nghiên cứu cũng đề cập đến khả năng giới hạn điện áp và tần số, đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống.

2.2. Giao tiếp và điều khiển từ xa

Smart Inverter có khả năng giao tiếp hai chiều với hệ thống điều khiển trung tâm và các thiết bị khác. Chức năng này cho phép giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, đảm bảo hiệu quả vận hành. Các tiêu chuẩn như IEEE P1547a và IEEE 2030.5 được áp dụng để đảm bảo tính tương thích và khả năng tương tác của hệ thống.

III. Hệ thống điện mặt trời và quản lý năng lượng

Nghiên cứu đề cập đến hệ thống điện mặt trời và các giải pháp quản lý năng lượng tái tạo. Smart Inverter đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối hệ thống năng lượng mặt trời với lưới điện, đảm bảo tính ổn định và chất lượng điện năng. Các giải pháp quản lý năng lượng như MPPT, PLL, và LC filter được tích hợp để tối ưu hiệu suất hệ thống.

3.1. Kết nối lưới điện

Nghiên cứu xây dựng mô hình kết nối lưới điện trong các tình huống thực tế như sụt áp và ngắn mạch. Smart Inverter có khả năng phát hiện sự cố và tự động điều chỉnh để đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của giải thuật Volt-Var Control trong việc ổn định điện áp và công suất phản kháng.

3.2. Tối ưu hóa hiệu suất

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống thông qua việc điều chỉnh các tham số của PI controller và tích hợp các công nghệ như MPPT và PLL. Các giải pháp này giúp tăng cường khả năng phối hợp và tương tác giữa các hệ thống PV trong lưới điện, đảm bảo hiệu quả vận hành và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là hệ thống điện mặt trời áp mái và các nhà máy quang điện nối lưới, đang đặt ra những thách thức kỹ thuật to lớn đối với tính ổn định của hệ thống điện phân phối. Theo thống kê thực tế từ các công ty điện lực, khi tỷ lệ thâm nhập của điện mặt trời vượt ngưỡng 20% đến 30% công suất đỉnh của đường dây, hiện tượng quá điện áp cục bộ vào giờ cao điểm bức xạ và sụt áp nghiêm trọng khi có mây che diễn ra phổ biến, khiến độ lệch điện áp tại các nút vượt quá giới hạn tiêu chuẩn cho phép là cộng trừ 3% đến 5%.

Theo các tiêu chuẩn kỹ thuật truyền thống như IEEE 1547-2003, các bộ nghịch lưu pin mặt trời thông thường chỉ vận hành ở chế độ phát công suất tác dụng cực đại với hệ số công suất cố định bằng 1 (công suất phản kháng bằng 0 kVAr) và bắt buộc phải ngắt kết nối khi điện áp hoặc tần số lưới dao động vượt ngưỡng an toàn. Cơ chế ngắt cứng này không chỉ gây mất mát sản lượng điện năng lớn mà còn làm trầm trọng thêm sự mất ổn định của toàn bộ lưới điện khu vực.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tập trung nghiên cứu và phát triển kỹ thuật điều khiển Volt - Var cho bộ nghịch lưu điện mặt trời thông minh (Smart Inverter). Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng cấu trúc điều khiển công suất phản kháng linh hoạt trên hệ trục tọa độ dq0, tính toán tối ưu hóa các thông số hồi tiếp của bộ điều khiển PI, và tích hợp thuật toán bám điểm công suất cực đại MPPT. Phạm vi nghiên cứu được thực nghiệm mô phỏng trên mô hình lưới điện phân phối 15 kV / 380 V với hệ thống PV-STATCOM quy mô 100 kW đến 400 kVA trong khoảng thời gian từ tháng 7 năm 2017 đến tháng 12 năm 2017. Kết quả của luận văn mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp duy trì điện áp nút ổn định quanh giá trị định mức 1.0 pu, giảm thiểu độ méo hài tổng THD xuống dưới 5% và đáp ứng các tiêu chuẩn kết lưới tiên tiến như IEEE P1547a và California Rule 21.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết biến đổi không gian vector dòng điện và điện áp trên hệ trục tọa độ đồng bộ quay dq0 thông qua ma trận biến đổi Park-Clark. Dựa trên mô hình toán học giải tích mạch xoay chiều ba pha tại điểm kết lưới chung PCC (điện áp định mức pha 220 V, tần số 50 Hz), vector không gian điện áp và dòng điện được phân tách thành hai thành phần trực giao độc lập: trục d gắn liền với việc điều khiển công suất tác dụng P thông qua điện áp liên kết một chiều DC-link, và trục q chịu trách nhiệm điều khiển công suất phản kháng Q để điều chỉnh biên độ điện áp xoay chiều AC.

Cấu trúc điều khiển Volt-Var động được thiết lập dựa trên nguyên lý đặc tuyến trễ và hệ số điều khiển độ dốc (Droop Control với K_droop = 0.03). Khi điện áp tại điểm nối lưới PCC thấp hơn ngưỡng tham chiếu 1.0 pu, bộ nghịch lưu thông minh đóng vai trò như một nguồn bù tĩnh (tụ điện), chủ động bơm dòng điện phản kháng vào lưới. Ngược lại, khi xuất hiện hiện tượng quá điện áp do bức xạ mặt trời tăng đột biến, hệ thống sẽ chuyển sang chế độ hấp thụ công suất phản kháng (cuộn cảm) để kéo điện áp về mức cho phép.

Mô hình nghiên cứu kết hợp ba khối cấu trúc nền tảng:

1. Mạch tăng áp DC/DC Boost Converter ứng dụng thuật toán tìm điểm công suất cực đại P&O (Perturb and Observation) nhằm trích xuất tối đa nguồn năng lượng từ mảng pin quang điện.
2. Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha 6 khóa bán dẫn IGBT (VSC) điều chế vector không gian SVPWM với tần số đóng cắt 20 kHz và mức điện áp tụ DC-link duy trì ổn định tại 750 V.
3. Bộ lọc thông thấp LC gồm cuộn cảm L_f = 45 microhenry và tụ điện C_f = 1926 microfarad, được thiết kế chuẩn xác nhằm triệt tiêu sóng hài bậc cao và giới hạn độ vọt lố dòng điện từ 10% đến 15%.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của nghiên cứu sử dụng thông số kỹ thuật chuẩn hóa từ mô-đun pin mặt trời SunPower SPR-315E-WHT-D do Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ (NREL) cung cấp. Mảng pin quang điện mô phỏng được cấu hình từ 6 mô-đun mắc nối tiếp và 54 chuỗi mắc song song, tạo nên tổ hợp phát công suất đỉnh đạt 102.06 kW với điện áp định mức 328.2 V tại điểm làm việc tối ưu MPP trong điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn 25 độ C và cường độ bức xạ 1000 W/m2.

Phương pháp phân tích được thực hiện hoàn toàn trên môi trường mô phỏng động lực học Matlab/Simulink SimPowerSystems. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ khả năng tái hiện chính xác các quá trình quá độ điện từ tính bằng mili-giây, cho phép khảo sát sâu hành vi phi tuyến của các khóa bán dẫn công suất cao mà không gây rủi ro phá hủy thiết bị thực tế.

Quy trình chọn mẫu và thiết kế tham số hồi tiếp được thực hiện thông qua giải thuật giải tích hàm truyền vòng kín trên miền phức Laplace. Tham số bộ điều khiển vòng dòng điện được tối ưu ở mức K_p = 0.3 và K_i = 20 với hằng số thời gian vòng kín 0.15 ms. Bộ điều áp DC-link được xác lập ở giá trị K_pv = 7 và K_iv = 300 với điện dung tụ 30000 microfarad. Bộ điều chỉnh điện áp kết lưới AC được định lượng với K_p_vac = 5 và K_i_vac = 1000. Toàn bộ quá trình tổng hợp mô hình và thực nghiệm mô phỏng được tiến hành liên tục và hoàn thiện trong mốc timeline 6 tháng từ tháng 7/2017 đến tháng 12/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thực nghiệm trên mô hình lưới điện phân phối 15 kV đã chỉ ra 4 phát hiện quan trọng:

1. Khả năng xác lập và độ ổn định vòng lặp cực nhanh: Bộ điều khiển dòng điện dq0 và mạch vòng ổn định điện áp DC-link đạt trạng thái cân bằng chỉ sau 0.09 giây (90 ms) kể từ thời điểm khởi động. Điện áp tụ DC-link được khóa chặt tại giá trị danh định 750 V với độ nhấp nhô điện áp ghi nhận dưới 10%, giúp hệ thống nghịch lưu luôn sẵn sàng ứng phó với các nhiễu loạn từ phía lưới điện.

2. Hiệu quả điều áp vượt trội trong kịch bản dao động điện áp lưới: Trong kịch bản lưới điện bị biến động nghiêm trọng (quá áp lên 1.05 pu trong khoảng 0.2s đến 0.5s và sụt áp sâu xuống 0.95 pu từ 0.5s đến 1.0s), bộ nghịch lưu ở chế độ tự hành V_ref = 1.0 pu đã tự động bơm và hấp thụ dòng phản kháng i_q tương ứng. Kết quả giúp ghìm điện áp tại điểm đấu nối PCC dao động trong biên độ an toàn từ 0.985 pu đến 1.012 pu. Trong khi đó, với bộ nghịch lưu thông thường (chế độ cài đặt i_q = 0), điện áp nút PCC trôi tự do theo dao động của lưới, làm sai lệch điện áp vượt quá giới hạn quy chuẩn 3%.

3. Đáp ứng hỗ trợ lưới động khi xảy ra sự cố ngắn mạch: Khi xuất hiện sự cố ngắn mạch ba pha trên xuất tuyến 15 kV, chế độ Volt-Var động giúp bộ nghịch lưu thông minh phản ứng tức thời trong vòng chưa đầy 20 ms, phát dòng điện phản kháng cực đại lên tới 1.2 pu. Điều này giúp nâng đỡ mức điện áp nút Bus 2 tăng thêm khoảng 18% so với trường hợp không có bù phản kháng, ngăn ngừa hiện tượng sụp đổ điện áp cục bộ và hỗ trợ hệ thống rơ-le bảo vệ tác động chọn lọc.

4. Hiệu quả phối hợp đa nguồn quang điện (Multi-PV Coordination): Khi khảo sát kịch bản tích hợp đồng thời hai hệ thống pin mặt trời (PV1 công suất 100 kW tại Bus 2 và PV2 công suất 100 kW tại Bus 3 cấp cho tải 2 MW), phương thức điều khiển phối hợp công suất phản kháng từ trung tâm kết hợp với điều chỉnh cục bộ giúp cân bằng phân bố trào lưu công suất, giảm sụt áp trên đường dây 15 kV khoảng 12.5% và hạn chế tối đa hiện tượng dao động công suất qua lại giữa các nghịch lưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự vượt trội của giải thuật Volt-Var xuất phát từ việc giải trừ liên kết hoàn toàn (decoupling) giữa dòng điện trục d và trục q trong hệ quy chiếu dq0. Nhờ khâu phản hồi bù điện áp lưới và dòng chéo L*omega, bộ nghịch lưu có thể điều chỉnh dòng điện bù phản kháng i_q một cách độc lập tuyệt đối mà không làm suy giảm công suất tác dụng P do mảng pin mặt trời tạo ra tại điểm công suất cực đại MPPT.

Để trực quan hóa các phát hiện nghiên cứu, toàn bộ chuỗi dữ liệu phản ứng quá độ có thể được biểu diễn qua bảng so sánh chỉ tiêu chất lượng điện năng và hệ thống đồ thị đặc tuyến. Biểu đồ đặc tuyến Volt-Var minh chứng rõ mối quan hệ tuyến tính có vùng trễ giữa độ lệch điện áp (Delta V) và công suất phản kháng sinh ra (Q). Trong khi đó, biểu đồ phân tích phổ tần số Fourier (FFT) thể hiện độ méo hài dòng điện THD luôn được duy trì ở mức 3.8% (thấp hơn nhiều so với ngưỡng khống chế 5.0% theo tiêu chuẩn IEEE 519).

So với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ áp dụng tụ bù tĩnh hoặc thiết bị D-STATCOM rời rạc gây tốn kém chi phí đầu tư ban đầu, việc tích hợp giải thuật Volt-Var trực tiếp vào bộ điều khiển của chính nghịch lưu PV đã tận dụng 100% dung lượng dư thừa của biến tần ngoài giờ cao điểm nắng, mở ra giải pháp kinh tế và kỹ thuật toàn diện cho lưới điện thông minh.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm và tính ưu việt của thuật toán Volt-Var, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm thúc đẩy hiện đại hóa hệ thống điện phân phối:

1. Chuẩn hóa và nâng cấp tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị hòa lưới: Các cơ quan quản lý năng lượng và Tập đoàn Điện lực cần sớm ban hành quy định bắt buộc tất cả các bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời công suất từ 50 kW trở lên phải tích hợp chức năng điều khiển Volt-Var và khả năng hỗ trợ điện áp thấp (LVRT) theo tiêu chuẩn IEEE P1547a và California Rule 21. Mục tiêu đặt ra là giảm thiểu tỷ lệ sự cố quá áp tại các trạm biến áp phân phối xuống dưới 1% trong lộ trình 12 tháng tới.

2. Ứng dụng cấu trúc điều khiển phân tán có phối hợp: Đề xuất các đơn vị vận hành lưới điện phân phối (EVN HCMC, EVN SPC, EVN NPC) triển khai hệ thống quản lý nguồn phân tán DERMS kết nối giao thức truyền thông IEEE 2030.5 hoặc IEC 61850-7. Hệ thống này sẽ truyền tín hiệu đặt Q_ref linh hoạt tới từng cụm Smart Inverter theo thời gian thực, mục tiêu giảm tổn thất điện năng trên lưới trung áp 22 kV / 15 kV từ 8% đến 12% trong vòng 18 tháng.

3. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển cục bộ trên các thiết bị thương mại: Các nhà sản xuất thiết bị biến đổi điện tử công suất nên áp dụng bộ tham số PI tối ưu đã được kiểm chứng trong luận văn (K_p = 0.3, K_i = 20 cho mạch vòng dòng điện và K_p_vac = 5, K_i_vac = 1000 kết hợp hệ số trượt K_droop = 0.03). Việc này giúp rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ của bộ nghịch lưu xuống dưới 0.1 giây, đảm bảo thiết bị vận hành êm thuận và không gây sốc điện áp khi thời tiết thay đổi đột ngột.

4. Mở rộng cơ chế thị trường dịch vụ phụ trợ lưới điện: Bộ Công Thương và Cục Điều tiết Điện lực cần nghiên cứu cơ chế định giá và chi trả cho dịch vụ hỗ trợ công suất phản kháng từ các chủ đầu tư điện mặt trời tư nhân. Việc khuyến khích các hệ thống PV-STATCOM tham gia điều áp sẽ tạo động lực kinh tế mạnh mẽ, giảm bớt nhu cầu đầu tư các bộ tụ bù ngang truyền thống trị giá hàng chục tỷ đồng tại các trạm biến áp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

1. Kỹ sư vận hành và điều độ hệ thống điện phân phối: Cung cấp tài liệu chuyên sâu để tính toán trào lưu công suất, đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng tái tạo (Hosting Capacity) và xây dựng phương án giữ ổn định điện áp nút trên lưới điện có tỷ lệ thâm nhập điện mặt trời cao trên 30%.

2. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) thiết bị Điện tử công suất: Cung cấp hướng dẫn chi tiết về cấu trúc điều khiển vector SVPWM, phương pháp giải trừ liên kết trên hệ trục tọa độ dq0, cách thiết kế bộ lọc LC thông thấp và thuật toán định cỡ thông số tối ưu cho bộ biến đổi VSC 3 pha nối lưới.

3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực với đầy đủ phương trình toán học giải tích, sơ đồ khối hàm truyền Laplace và hướng dẫn xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên Matlab/Simulink cho các đề tài về Microgrid, Smart Inverter và FACTS.

4. Nhà thầu EPC và đơn vị tư vấn thiết kế điện mặt trời: Giúp nắm vững các tiêu chuẩn kỹ thuật hòa lưới quốc tế hiện đại như CA Rule 21 và IEEE 1547, từ đó lựa chọn cấu hình thiết bị biến tần thông minh phù hợp, tối ưu hóa hiệu quả đầu tư và loại bỏ nguy cơ bị ngành điện sa thải phụ tải do vi phạm quy chuẩn điện áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật điều khiển Volt-Var của bộ nghịch lưu thông minh khác gì so với nghịch lưu truyền thống?
   Nghịch lưu truyền thống theo tiêu chuẩn IEEE 1547-2003 chỉ vận hành ở chế độ phát công suất tác dụng với hệ số công suất cos phi bằng 1 và dòng phản kháng i_q bằng 0. Trong khi đó, Smart Inverter áp dụng kỹ thuật Volt-Var có khả năng tự động bơm hoặc hấp thụ công suất phản kháng Q dựa trên độ lệch điện áp thực tế tại điểm kết lưới, giúp ổn định điện áp trong biên độ cộng trừ 3% mà không làm gián đoạn việc phát điện.

2. Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn xây dựng thuật toán trên hệ trục tọa độ dq0?
   Hệ trục tọa độ quay đồng bộ dq0 biến đổi các đại lượng dòng điện và điện áp xoay chiều ba pha biến thiên theo tần số 50 Hz thành các đại lượng một chiều không đổi ở trạng thái xác lập. Điều này cho phép áp dụng các khâu hiệu chỉnh PI kinh điển để điều khiển độc lập hoàn toàn giữa công suất tác dụng qua dòng i_d và công suất phản kháng qua dòng i_q, đạt thời gian đáp ứng cực nhanh dưới 0.09 giây.

3. Bộ điều khiển xử lý như thế nào khi điện áp lưới bị sụt giảm hoặc tăng cao quá mức?
   Khi điện áp tại điểm nối lưới PCC vượt quá 1.05 pu, bộ điều khiển kích hoạt chế độ hấp thụ công suất phản kháng (Q mang giá trị âm, dòng i_q âm) để kéo giảm điện áp. Khi điện áp sụt giảm dưới 0.95 pu, hệ thống lập tức đảo chiều phát dòng phản kháng (Q mang giá trị dương, dòng i_q dương) với hệ số trượt K_droop bằng 0.03 để nâng điện áp trở lại mức chuẩn 1.0 pu.

4. Bộ thông số điều khiển PI nào được chứng minh là tối ưu trong luận văn?
   Qua phương pháp tính toán giải tích hàm truyền kết hợp mô phỏng, bộ thông số tối ưu được xác định gồm: mạch vòng dòng điện có K_p = 0.3 và K_i = 20; mạch vòng điện áp DC 750 V có K_pv = 7 và K_iv = 300; và mạch vòng điều khiển điện áp AC có K_p_vac = 5 và K_i_vac = 1000. Bộ thông số này đảm bảo triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập và khống chế độ vọt lố dưới 5%.

5. Giải thuật trong luận văn có thể áp dụng cho hệ thống nhiều bộ nghịch lưu cùng kết nối vào lưới không?
   Luận văn đã kiểm chứng thành công kịch bản hai hệ thống pin mặt trời 100 kW cùng hòa lưới tại Bus 2 và Bus 3 trên đường dây 15 kV. Nhờ sự kết hợp hài hòa giữa cơ chế điều khiển tự vận hành cục bộ và tín hiệu điều khiển Q_ref phân bổ từ trung tâm điều độ, các bộ nghịch lưu chia sẻ tải phản kháng đồng đều, giúp giảm sụt áp toàn tuyến khoảng 12.5% và triệt tiêu xung đột điều khiển giữa các nút.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ "Kỹ thuật điều khiển Volt - Var cho bộ nghịch lưu điện mặt trời thông minh" đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật cấp bách trong việc nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối có tích hợp năng lượng tái tạo với các đóng góp nổi bật:

• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học giải tích và giải thuật điều khiển Volt-Var động trên hệ trục tọa độ đồng bộ quay dq0 cho bộ nghịch lưu 3 pha nguồn áp VSC.
• Xác lập thành công bộ thông số tối ưu cho các khâu điều khiển hồi tiếp PI (vòng dòng K_p = 0.3, K_i = 20; vòng áp DC K_pv = 7, K_iv = 300), mang lại thời gian xác lập quá độ cực nhanh chỉ 0.09 giây.
• Chứng minh tính hiệu quả vượt trội của thuật toán trong việc duy trì điện áp nút ổn định ở mức 1.0 pu khi lưới điện xảy ra quá áp 1.05 pu, sụt áp 0.95 pu và ngắn mạch ba pha trên lưới phân phối 15 kV.
• Đề xuất phương thức phối hợp trơn tru giữa nhiều nguồn quang điện phân tán (100 kW tại Bus 2 và Bus 3) giúp giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải thêm 12.5%.
• Đặt nền móng khoa học vững chắc cho việc nội địa hóa và ứng dụng các bộ tiêu chuẩn hòa lưới hiện đại như California Rule 21 và IEEE P1547a tại Việt Nam.

Lộ trình phát triển tiếp theo của nghiên cứu định hướng hoàn thiện thử nghiệm phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-Loop - HIL) trong vòng 6 tháng tới và triển khai thử nghiệm diện hẹp tại các trạm biến áp phân phối thực tế. Các kỹ sư, nhà khoa học và đơn vị phát triển dự án hãy liên hệ hoặc tra cứu toàn văn tài liệu luận văn để ứng dụng ngay các giải pháp điều khiển tiên tiến này vào công trình thực tế, góp phần xây dựng lưới điện Việt Nam thông minh, ổn định và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu tong quan về dé tài. - _ Chương 2: Trinh bày cở sở lý thuyết kỹ thuật điều khiến Volt —Var. - - Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng - _ Chương 4: Tình huống 1 — điện áp lưới điện không 6n định - _ Chương 5: Tình huống 2 — hệ thống lưới điện xảy ra ngắn mạch - _ Chương 6: Tình huống 3 — hai hệ thống pin mặt trời cùng kết hợp vào lưới điện Luận Văn Thạc Sĩ ABSTRACT This thesis researches on Volt — Var control technique for smart solar inverters. The smart solar inverter not only generates active power (kW), but also regulates voltage through generating or absorbing reactive power (kVar).

In this thesis, there are three methods to control reactive power. The Volt — Var technique is applied in practical problems when the smart solar inveters intergrates grid systems. Grid systems operate in normal condition or short — circuit. The thesis includes six chapters: - Chapter |: Introduce the thesis overview.

- Chapter 2: Basis theoretic for volt- var techinique. - Chapter 3: Build modeling. - Chapter 4: Case 1: Grid Voltage is unstable. - Chapter 5: Case 2: Grid system occurs short circuit.

- Chapter 6: Case 3: 2 PVs integrate into grid systems. Luận Văn Thạc Sĩ LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực và không sao chép từ bat kỳ một nguồn nao va dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tai liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cau.

Tác giả luận văn Lê Đình Tưởng Luận Văn Thạc Sĩ MỤC LỤC CHUONG 1: TONG QUAN VE BỘ NGHỊCH LƯU SMART INVERTER. Chức năng của bộ nghịch lưu Smart ÍTIVCTẨCE. Chức năng tự vận hành:. Chức năng giao tiếp, điều khiỂn tiv Xia.

Chức năng Smart Inverters theo tiêu chuẩn CA Rule 21 :. Dinh hướng nghiÊn CỨU.1 LY do Chon dé na.3 Phạm Vi và phương pháp nghiÊn CỨU.040996008688999096 4 CHƯƠNG2: CƠ SỞ LÝ THUYET KỸ THUAT DIEU KHIEN VOLT-VAR. Xây dựng giải thuật Volt var control VVC trong hệ trục toa độ dqÔ: .1 BG didu Khién AON 0 2000Ẻ8. Cách xác định ayer ¿.

Cách xác định igrer ‡‹.06 160086930640066036690640869460906408000600000600060 86 15 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHÓỎNG. Xây dựng mô hình mô DhÓNØ. Sơ đồ mô phỏng PV nối lưới 3 pha:. 5< 5 << 5£ 5° Es£S£ se SeEEs£SeEsEseseEsesessesese 24 lI.

— Pin mặt ẨrÒI:. Bộ biến đổi công suất boost converter DC/DC:. — Bộ nghịch lưu Inverter DÁC. 37 CHƯƠNG 4: TINH HUONG 1 - ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN KHONG ON ĐỊNH.

40 AL PV dang 6 ché d6 [per mẽ. 40 A2 PV dang 6 ChE dO Qyepssssssscscsssssssssssessssssesscsesesscsesecscscsscsesessssesscsosesssscsessesessssssessssesssssscsessosesessesess 43 43 PV đang ở chế độ tự hành Vyer = Uptl.cccccccccccsssssscssssssssssssssssesecssscssssesesssssssssssesesessssessosesessesees 48 CHUONG 5: TINH HUONG 2 - HE THONG ĐIỆN XAY RA SỰ CO NGAN MACH. sccccccccsssssssssssssssscccccssscsssssssssssssscccccsssssssssssssssssscsccsssssssssssssssssssssssssssssessssssees 52 5 1 PV dang 6 ché d6 Lper mẽ. 52 5 2 PV dang 6 ChE dO Qyer n.

55 5 3 PV đang ở chế độ tự hành Veer = Uptle.ccccccccccscsssssssssssssssssscssssesesssssssssssesssssssscsesesessesessosssessesees 59 CHUONG 6: TINH HUONG 3 - HAI HE THONG PIN MAT TRỜI CÙNG KET HOP VAO LU OL DIEN.1 Chế độ tự vận hành V,.¢=1pu khi lưới điện hoạt động bình thường.2 Chế độ điều khiển Q„„ từ hệ thống điều khiến trung tâm .--s-s-- <5 se 5 <ese=ses 69 6.3 Chế độ tự vận hành V„„ =1pu khi lưới điện ngắn mạch 3 pha.4 Chế độ điều khiến Q„„; từ hệ thống điều khiển trung tâm khi lưới điện ngắn mạch 3 Luận Văn Thạc Sĩ Mục Lục Bang Bang 2. Giá tri PI bộ điều khiến dòng. Giá trị PI bộ điều khiến áp DC. Giá trị PI bộ điều khiển ,.

Lc 22111 22111 ven Hy ng 16 Bang 3. Thông số pin mặt trời. cece cee cecceeceecceecueseceeeeeesaeeeaeeaeas 27 Bang 3. Thông số mạch DC/DC .- - CC SE SE.

SE SE cv cv sem 32 Bang 3. Thông số nghịch lưu DC/AC. Thông số đầu vào mạch lỌC. c2 c1 2222561 111153 1 1xx xxx 35 Bang 3.

Thông số mạch lọc C. + ccc n2 1000160 1111111551151 11 1111 xxsreg 35 Bang 3. Thông số phụ tải. 2c 11211212 Hy nh ch nh hy cớ 36 Bang 3.

Thông số đường dây truyền tải. --- c2 cc nh nỲ nh ch cv se 37 Luận Văn Thạc Sĩ CHUONG 1: TONG QUAN VE BỘ NGHỊCH LƯU SMART INVERTER 1. Chức nang của bộ nghịch lưu Smart Inverter Chức năng chính — hay chức năng chung - của một Smart Inverter (SI) được nghiên cứu và phát triển từ những năm dau của thế ky 21. Các công ty, các tổ chức cùng với các phòng thí nghiệm không ngừng trao đối và hợp tác để ra một tiêu chuẩn chung cho sự phát triển của ngành năng lượng mới nói chung và ngành năng lượng mặt trời nói riêng.

Theo các tiêu chuẩn IEC 61850 -7, UL 1741, hay IEEE P1547a, đã thống nhất một SI phải có các chức năng chung sau [7]: - Chức năng tự vận hành. - _ Chức năng giao tiếp, điều khiến từ xa. Chức năng tự vận hành: Một SI chức năng chính van là biến đổi công suất từ DC sang AC và kết vào lưới điện. Nguồn DC rất phong phú: năng lượng mặt trời từ pin quang điện (PV), pin nhiên liệu (Fuel Cell), năng lượng gió từ turbin gió được chỉnh lưu, từ acqui va từ các máy phát điện năng.

Nghiên cứu nay, chỉ dé cập đến năng lượng mặt trời do khả năng phát triển trong tương lai gần và ứng dụng thực tế của các loại hình năng lượng này. Chức năng tự vận hành cho phép SI là tự ra quyết định trong những điều kiện cụ thé khi nó vận hành. Dựa vào các thông số cài đặt trước, mà SI sẽ quyết định xem nên thực hiện chức năng nào cho phù hợp với điều kiện thực tế. Chức năng tự vận hành bao gồm: Chức năng Volt- watt, chức năng Frequency- Watt, chức năng Watt- power factor, chức năng Volt-var, chức năng cung cấp động dòng điện phan kháng và chức nang watt-var.

Nhiệm vụ luận văn sẽ nghiên cứu và phát triển kỹ thuật điều khiển Volt — Var. Bên cạnh chức năng tự vận hành, một SI có thé giao tiếp với cán bộ kỹ thuật và chịu chi phối với người điều khiến: chức năng giới hạn công suất của SI, chức năng điều chỉnh hệ số công suất, chức năng tự kết nối và ngặt kết nối, chức năng hiệu chỉnh thời gian. Ngoài ra, một SI đúng nghĩa phải tương thích với sự thay đổi thường xuyên của tự nhiên như mật độ chiều sáng, nhiệt độ. với các chức năng giới hạn công suất đỉnh MPPT, yêu cầu giới hạn điện áp cho phép (Low/high voltage ride through) và giới hạn tần số cho phép (Low/high frequency ride through) hoặc chức năng hiệu quả kinh tế (Price based charge/discharge).

| HVTH: Lê Đình Tưởng GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ 1. Chức năng giao tiếp, điều khiến từ xa. Chức năng giao tiếp SI ra đời nhằm thực hiện tương tác giữa SI với con người và giữa các SI với nhau. Dựa vào tiêu chuẩn IEEE P1547a hay IEEE 2030.5, chúng ta có thé hình dung khả năng giao tiếp này: - _ Giao tiếp 2 chiêu, - Lay thông tin va báo cáo số liệu vận hành.

- Cac SI được điều khiến bởi hệ thong điều khiến trung tâm và các SI có thé giao tiếp với nhau. Chức năng Smart Inverters theo tiêu chuẩn CA Rule 21: - Chế độ làm việc độc lập (Anti — Inslanding Protection): chế độ này hoat động khi SI không kết nối lưới điện (do lưới điện gặp sự cố, hay các bài toán hiệu quả kinh tế), SI chỉ cung cấp năng lượng cho tải ở gia đình hay hệ thống lưới điện. - Gidi hạn điện áp (Low/High Voltage Ride Through): Giới hạn điện áp được dùng để kết nối hoặc ngắt kết nối PV với lưới điện. Chức năng này dựa vào mức điện áp và thời gian gây ra mức điện áp đó.

Điện áp thay đổi trong giới hạn tương ứng với khoảng thời gian cho phép dé quay lại mức điện áp chuẩn. Voltage Ride Through Default Clearing Times for System Disturbances 140% 120% |= = — VNo(amliftn%ueg) 110% |= = =— 100% ——=— sax | —= — C:\Users\E176597\Documents\Inverters\ Created 7 Diagrams\Voltage Ride Through Curve.16 1 2 10 100 Time Until Disconnection (Seconds) Hình 1.1: Giới hạn điện ap và thời gian hoạt động cho phép. - _ Giới hạn tần số (Low/High Frequency Through): Quy định giới hạn tan số cho phép hoạt động của inverter trong khoảng thời gian cho phép 2 HVTH: Lê Đình Tưởng GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ - Volt/Var động (Dynamic Volt/Var Operation): chế độ Volt/var động dùng để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng của PV khi có biến động điện áp. nhăm đưa điện áp về giới hạn cho phép.

- Kết nối lưới (“Soft —Start” Reconnection): Sau khi khắc phục sự cố lưới điện, PV cần kết nói lại lưới điện. PV phát công suất vào lưới điện. - Dat hệ số công suất (Fixed Power Factor): Chức năng này giúp PV có thé điều khiến được công suất hiệu dụng và công suất phản kháng theo tỉ lệ phù hợp. Thông thường hệ số công suất được cài đặt bằng 1, tức là chỉ phát công suất hiệu dụng, tuy nhiên khi tải khác nhau hay hệ thống điện khác nhau thì cần hệ số khác nhau.

- _ Truyền thông (Communication): c ng dựa vào tiêu chuẩn IEEE 1547a ở phan 1. Dinh hướng nghiền cứu.1 Lý do chọn đề tài Năng lượng mặt trời là một trong những lĩnh vực yêu thích của tôi. Tôi hạnh phúc khi có cơ hội được nghiên cứu lĩnh vực này, cùng với sự hướng dẫn của Thầy Phan Quốc D ng. Ngày nay, con người ngày càng sử dụng nhiều năng lượng.

đặc biệt là điện năng nhăm phục vụ nhu câu sinh hoạt, tăng gia sản xuất. Nhu cầu năng lượng tăng theo thời gian sẽ đi cùng với thách thức đảm bảo tính liên tục và chất lượng điện năng cho ngành điện. Các nguén năng lượng truyền thống (như thủy điện, nhiệt điện, dau diesel.) đang đi tới hạn công suất hoặc giá thành ngày cảng tăng. Điều đó làm giảm hiệu quả kinh tế khi sử dụng các loại nhiên liệu này.

Bên cạnh đó, tác động môi trường của các nguồn năng lượng này đang đặt ra dấu hỏi lớn về tính thân thiện môi trường. Hon nữa, các chính sách khuyến khích phát triển và mở rộng năng lượng tái tao, năng lượng sạch của nhà nước đã và đang tác động mạnh mẽ vào sự phát triển của ngành năng lượng xanh. Ở trên thế giới, các cánh đồng năng lượng mặt trời, năng lượng gió mở ra ngày càng nhiều. Mô hình mái nhà năng lượng mặt trời Rooftop đang nở rộ với chi phí đầu tư ít, hiệu quả và đặc biệt có thế bán ngược điện lại cho ngành điện.