Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử công suất và tải phi tuyến trong hệ thống điện, vấn đề chất lượng điện năng ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, sự gia tăng tải phi tuyến đã làm tăng đáng kể các thành phần sóng hài, gây méo dạng sóng điện áp và dòng điện, làm giảm hệ số công suất và ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất vận hành của hệ thống điện. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và phát triển mạch lọc tích cực ba pha kết hợp với hệ thống Photovoltaic (PV) nhằm cải thiện chất lượng điện năng, giảm độ méo dạng hài tổng (THD) của dòng điện nguồn xuống dưới 5%, ổn định điện áp bus DC và nâng cao hệ số công suất cosφ trên 0.9. Nghiên cứu tập trung vào mạch lọc tích cực dạng song song ba pha, điện áp 220/380V, tần số 50Hz, được mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink trong phạm vi thời gian từ năm 2021 đến 2024. Ý nghĩa của đề tài không chỉ nằm ở việc nâng cao chất lượng điện năng mà còn góp phần tích hợp hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo, giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy phát triển bền vững trong ngành điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính: lý thuyết công suất phản kháng tức thời p-q mở rộng và mô hình mạch lọc tích cực (Active Power Filter - APF). Lý thuyết p-q mở rộng cho phép phân tích và tách riêng các thành phần công suất tác dụng, phản kháng và sóng hài trong dòng tải phi tuyến, từ đó xác định dòng bù tham chiếu cho mạch lọc. Mạch APF dạng song song được lựa chọn để bù sóng hài và công suất phản kháng, với ưu điểm bù tức thời, linh hoạt và hạn chế hiện tượng cộng hưởng so với mạch lọc thụ động. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Dòng bù tham chiếu: dòng điện được tạo ra để triệt tiêu sóng hài và công suất phản kháng trong dòng tải.
  • Điều khiển dòng trễ: phương pháp điều khiển dòng bù nhằm theo dõi chính xác dòng tham chiếu.
  • Bộ điều khiển PI: dùng để ổn định điện áp bus DC trong mạch APF.
  • Bộ biến đổi DC/DC Boost: nâng điện áp DC từ mảng PV lên mức ổn định 600V cấp cho bộ nghịch lưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu liên quan đến mạch lọc tích cực và hệ thống PV. Mô hình toán học của hệ thống APF kết nối với mảng PV được xây dựng dựa trên lý thuyết p-q mở rộng. Hệ thống được mô phỏng chi tiết trên phần mềm MATLAB/Simulink với cỡ mẫu phù hợp để đảm bảo độ chính xác và khả năng phản hồi nhanh của bộ điều khiển. Phương pháp chọn mẫu mô phỏng dựa trên các thông số thực tế của hệ thống điện ba pha 220/380V, 50Hz, với tải phi tuyến mô phỏng bằng tải chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 4/2021 đến tháng 2/2024, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, thiết kế mạch và điều khiển, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm độ méo dạng hài tổng (THD) của dòng điện nguồn: Kết quả mô phỏng cho thấy THD của dòng tải trước khi bù là khoảng 18%, sau khi sử dụng mạch lọc tích cực kết hợp PV giảm xuống dưới 4%, đạt mục tiêu đề ra (<5%).
  2. Ổn định điện áp bus DC: Điện áp bus DC được duy trì ổn định ở mức 600V ± 5V nhờ bộ điều khiển PI và bộ biến đổi DC/DC Boost, đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả của bộ nghịch lưu.
  3. Nâng cao hệ số công suất cosφ: Hệ số công suất được cải thiện từ khoảng 0.75 lên gần 0.98, giúp giảm tổn thất điện năng và nâng cao hiệu quả sử dụng lưới điện.
  4. Cung cấp công suất tác dụng từ nguồn PV: Mạch lọc tích cực không chỉ bù sóng hài mà còn tận dụng năng lượng từ mảng PV để cung cấp công suất tác dụng cho tải, giảm tải cho nguồn lưới điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm THD và nâng cao hệ số công suất là do mạch APF dạng song song sử dụng bộ điều khiển dòng trễ và lý thuyết p-q mở rộng giúp xác định chính xác dòng bù tham chiếu. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng của luận văn cho thấy hiệu quả lọc sóng hài và bù công suất phản kháng vượt trội nhờ tích hợp nguồn PV và bộ biến đổi DC/DC Boost ổn định điện áp bus DC. Việc sử dụng bộ điều khiển PI và điều khiển Hysteresis giúp hệ thống đáp ứng nhanh và ổn định, mặc dù tồn tại sai số bù nhỏ do đặc tính của điều khiển Hysteresis. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ THD trước và sau bù, đồ thị điện áp bus DC theo thời gian và biểu đồ hệ số công suất, minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp. Nghiên cứu cũng chỉ ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện có tải phi tuyến và tích hợp năng lượng tái tạo, góp phần phát triển lưới điện thông minh và bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thực nghiệm hệ thống mạch lọc tích cực kết hợp PV trong các trạm biến áp phân phối để đánh giá hiệu quả thực tế, với mục tiêu giảm THD dưới 5% trong vòng 12 tháng.
  2. Phát triển bộ điều khiển số DSP nâng cao nhằm cải thiện khả năng lọc sóng hài bậc cao và giảm sai số bù, hướng tới ứng dụng trong các hệ thống điện công nghiệp quy mô lớn.
  3. Mở rộng nghiên cứu tích hợp mạch lọc với các nguồn năng lượng tái tạo khác như điện gió, sinh khối để đa dạng hóa nguồn cấp và tăng tính linh hoạt của hệ thống điện.
  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ sư vận hành và bảo trì về công nghệ mạch lọc tích cực và hệ thống PV nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững, trong vòng 6 tháng tới.
  5. Khuyến khích chính sách hỗ trợ đầu tư cho các giải pháp cải thiện chất lượng điện năng tích hợp năng lượng tái tạo, góp phần giảm phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng quốc gia.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia ngành điện: Nắm bắt kiến thức về mạch lọc tích cực và ứng dụng PV để thiết kế, vận hành hệ thống điện sạch, nâng cao chất lượng điện năng.
  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo chi tiết về mô hình toán, phương pháp điều khiển và mô phỏng hệ thống APF kết hợp PV.
  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ tiềm năng và lợi ích của việc tích hợp năng lượng tái tạo với công nghệ lọc sóng hài để xây dựng chiến lược phát triển bền vững.
  4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị điện: Cơ sở để phát triển sản phẩm mạch lọc tích cực tích hợp nguồn PV, nâng cao giá trị cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mạch lọc tích cực ba pha là gì và tại sao cần kết hợp với Photovoltaic?
    Mạch lọc tích cực ba pha là thiết bị bù sóng hài và công suất phản kháng trong hệ thống điện ba pha. Kết hợp với PV giúp tận dụng năng lượng tái tạo để cấp nguồn cho mạch, giảm tải cho lưới điện và nâng cao hiệu quả năng lượng.

  2. Lý thuyết p-q mở rộng đóng vai trò gì trong nghiên cứu?
    Lý thuyết này giúp phân tích và tách riêng các thành phần công suất tác dụng, phản kháng và sóng hài trong dòng tải, từ đó xác định chính xác dòng bù tham chiếu cho mạch lọc tích cực.

  3. Điều khiển dòng trễ có ưu điểm gì?
    Phương pháp điều khiển dòng trễ giúp mạch lọc theo dõi chính xác dòng tham chiếu, đáp ứng nhanh và ổn định, giảm sai số bù trong quá trình vận hành.

  4. Tại sao cần bộ biến đổi DC/DC Boost trong hệ thống?
    Bộ biến đổi này nâng điện áp DC từ mảng PV lên mức ổn định 600V, đảm bảo điện áp bus DC không đổi, giúp bộ nghịch lưu hoạt động hiệu quả và ổn định.

  5. Hiệu quả của mạch lọc tích cực kết hợp PV được đánh giá như thế nào?
    Qua mô phỏng, hệ thống giảm THD dòng điện từ khoảng 18% xuống dưới 4%, nâng hệ số công suất lên gần 0.98 và duy trì điện áp bus DC ổn định, chứng minh hiệu quả lọc sóng hài và tích hợp năng lượng tái tạo.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công mạch lọc tích cực ba pha kết hợp với hệ thống Photovoltaic, giảm đáng kể sóng hài và nâng cao chất lượng điện năng.
  • Mô hình toán và phương pháp điều khiển dựa trên lý thuyết p-q mở rộng và điều khiển dòng trễ cho hiệu quả cao trong việc xác định và bù dòng hài, công suất phản kháng.
  • Hệ thống mô phỏng trên MATLAB/Simulink cho thấy THD dòng điện giảm xuống dưới 5%, điện áp bus DC ổn định ở 600V và hệ số công suất gần 1.
  • Giải pháp tích hợp nguồn PV giúp giảm tải cho lưới điện, tiết kiệm năng lượng và góp phần phát triển bền vững.
  • Đề xuất triển khai thực nghiệm, nâng cấp bộ điều khiển và mở rộng ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo khác để phát huy tối đa hiệu quả.

Hành động tiếp theo là tiến hành thử nghiệm thực tế và phát triển các thuật toán điều khiển nâng cao nhằm hoàn thiện giải pháp, đồng thời thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong ngành điện và năng lượng tái tạo.