Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng toàn cầu hiện đạt mức tương đương hơn 8 tỷ tấn dầu quy đổi mỗi năm, trong đó khoảng 90% xuất phát từ nguồn nhiên liệu hóa thạch gây áp lực nặng nề lên khí hậu và môi trường sinh thái. Tại Việt Nam, nguồn bức xạ mặt trời dồi dào với cường độ trung bình đạt xấp xỉ 1000 W/m² mở ra tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo to lớn. Sự ra đời của Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg và Thông tư số 16/2017/TT-BCT đã thiết lập khung pháp lý vững chắc khuyến khích việc phát triển các dự án điện mặt trời hòa lưới.

Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ và vừa trước đây tại nước ta chủ yếu hoạt động độc lập hoặc sử dụng hệ thống bình ắc quy lưu trữ cồng kềnh. Phương thức này làm tăng chi phí đầu tư ban đầu từ 30% đến 40% và đòi hỏi quy trình bảo dưỡng phức tạp. Bên cạnh đó, các thiết bị biến tần hòa lưới thương mại hầu hết phải nhập khẩu với giá thành cao, gây khó khăn trong việc làm chủ công nghệ điều khiển.

Đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện của tác giả Vũ Chí Cường, dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hữu Công tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, tập trung giải quyết bài toán thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới điện ba pha 380V tần số 50 Hz. Mục tiêu trọng tâm là xây dựng thuật toán điều khiển thông minh không dùng ắc quy, tối ưu hóa quá trình thu nhận công suất cực đại, đồng thời kiểm soát chính xác góc pha và điện áp nhằm bơm trực tiếp năng lượng sạch vào lưới điện quốc gia với độ tin cậy cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết mô hình hóa pin quang điện bán dẫn P-N với phương trình dòng quang điện phi tuyến, phụ thuộc chặt chẽ vào cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường. Mô hình điện tương đương của tấm pin tích hợp điện trở nối tiếp Rs và điện trở rò Rsh, cho phép mô phỏng chính xác đường đặc tính dòng - áp (I-V) và công suất - áp (P-V) dưới điều kiện bức xạ tiêu chuẩn 1000 W/m².

Về phần điện tử công suất, đề tài áp dụng lý thuyết biến đổi điện áp một chiều sang một chiều (DC/DC Boost Converter) kết hợp giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để duy trì hiệu suất thu nạp quang điện tối ưu. Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha (Voltage Source Inverter - VSI) sử dụng 6 van bán dẫn IGBT công suất lớn được phân tích thông qua mô hình toán học trong hệ tọa độ tĩnh hai pha alpha-beta và hệ tọa độ quay đồng bộ d-q thông qua phép biến đổi Park-Clarke. Phương pháp điều chế vectơ không gian (Space Vector Modulation - SVM) với 8 trạng thái đóng cắt van chuẩn được triển khai nhằm tối ưu hóa biên độ điện áp ra, giảm thiểu hiện tượng méo dạng sóng hài bậc cao và nâng cao chất lượng truyền tải điện năng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô phỏng thu thập từ các thông số vận hành thực tế của tấm pin quang điện đơn tinh thể và đa tinh thể, kết hợp với các tiêu chuẩn lưới điện ba pha 380V/50Hz của Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Cỡ mẫu thử nghiệm bao gồm 5 kịch bản thay đổi cường độ bức xạ ngẫu nhiên từ 200 W/m² đến 1000 W/m² và dải nhiệt độ vận hành biến thiên từ 15°C đến 45°C. Phương pháp chọn mẫu theo kịch bản bậc thang được lựa chọn nhằm kiểm tra tính thích ứng động của các mạch vòng điều khiển trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt nhất.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô hình hóa và mô phỏng trên nền tảng MATLAB Simulink với bộ giải vi phân ode23tb là khả năng tái hiện chính xác các quá trình quá độ điện từ ở tần số đóng cắt van lên tới 10 kHz - 15 kHz mà không gây rủi ro phá hủy phần cứng. Toàn bộ quy trình nghiên cứu, tính toán tham số mạch lực, xây dựng bộ điều khiển dòng và vòng khóa pha PLL được triển khai và hoàn thiện trong giai đoạn từ tháng 07/2020 đến tháng 09/2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng trên MATLAB Simulink đã chứng minh tính hiệu quả của cấu trúc điều khiển đề xuất thông qua 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

  • Hiệu suất bám điểm công suất cực đại vượt trội: Bộ điều khiển DC/DC Boost Converter tích hợp thuật toán MPPT duy trì hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời đạt trên 98,5%, đáp ứng tức thời khi bức xạ thay đổi đột ngột từ 600 W/m² lên 1000 W/m² mà không làm sụt áp thanh cái DC-link.
  • Nâng cao hệ số sử dụng điện áp nguồn một chiều: Kỹ thuật điều chế vectơ không gian SVM giúp tận dụng điện áp một chiều cao hơn khoảng 15,47% so với phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM) truyền thống, đồng thời giảm tổn hao đóng cắt của các van IGBT khoảng 18%.
  • Thời gian đồng bộ pha cực nhanh: Vòng khóa pha SRF-PLL bắt bám chính xác góc pha điện áp lưới chỉ trong khoảng thời gian dưới 100 ms, với sai lệch tần số không vượt quá 0,1 Hz so với tần số chuẩn 50 Hz.
  • Chất lượng dòng điện bơm vào lưới đạt chuẩn quốc tế: Tổng độ méo sóng hài dòng điện (THD) đầu ra sau bộ lọc RL chỉ ở mức 2,8%, giảm đáng kể so với mức 7,5% của các bộ nghịch lưu 5 bậc thông thường và mức 12,8% của bộ nghịch lưu 3 bậc kinh điển.

Thảo luận kết quả

Khả năng kiểm soát độc lập công suất tác dụng (P) thông qua dòng trục d và công suất phản kháng (Q) thông qua dòng trục q giúp hệ thống đạt hệ số công suất phát lên lưới xấp xỉ 0,99. So sánh với các công trình nghiên cứu sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc ghép tầng phức tạp có THD đạt 2,0% nhưng đòi hỏi số lượng biến áp cách ly lớn, cấu trúc nghịch lưu 2 mức kết hợp SVM trong luận văn đạt được sự cân bằng tối ưu giữa chi phí chế tạo và chất lượng điện năng đầu ra.

Kết quả vận hành của hệ thống có thể được minh họa trực quan thông qua đồ thị phản hồi miền thời gian: đường cong đặc tính I-V/P-V biểu diễn khả năng bám đỉnh công suất tức thời; đồ thị điện áp một chiều DC-link ổn định tại ngưỡng điện áp thiết lập; và biểu đồ sóng dạng điện áp - dòng điện ba pha đầu ra có dạng hình sin chuẩn, hoàn toàn đồng pha với điện áp lưới điện quốc gia.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát triển kết quả nghiên cứu từ mô hình mô phỏng sang sản phẩm thương mại hoàn chỉnh, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp cụ thể:

  • Hiện thực hóa thuật toán trên vi xử lý số chuyên dụng: Triển khai nạp mã nguồn điều khiển SVM và MPPT lên các dòng chip xử lý tín hiệu số DSP như TMS320F28335 hoặc vi điều khiển STM32F4, hướng đến mục tiêu rút ngắn chu kỳ thực thi thuật toán xuống dưới 50 µs trong vòng 6 đến 12 tháng tới (Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp R&D thiết bị điện tử công suất).
  • Tích hợp module bảo vệ chống hòa sai và chống phát đảo (Anti-Islanding): Bổ sung thuật toán ngắt kết nối an toàn tự động trong thời gian dưới 200 ms khi lưới điện quốc gia gặp sự cố mất nguồn, đảm bảo tuân thủ nghiêm ngặt các quy định an toàn điện lực theo lộ trình năm 2021-2022 (Chủ thể: Kỹ sư thiết kế hệ thống và cơ quan kiểm định chất lượng lưới điện).
  • Nâng cấp cấu trúc bộ lọc ngõ ra thành mạch LCL: Thay thế bộ lọc nối tiếp RL bằng bộ lọc thông thấp LCL có khâu suy giảm thụ động, nhằm cắt giảm thêm 25% kích thước cuộn cảm và hạ thấp hệ số méo hài THD xuống dưới mức 2,0% trước năm 2023 (Chủ thể: Đơn vị chế tạo phần cứng).
  • Xây dựng giải pháp biến tần hòa lưới nội địa hóa: Tổ chức sản xuất thử nghiệm các dòng inverter hòa lưới 3 pha công suất từ 5 kW đến 20 kW mang thương hiệu Việt Nam trong thời hạn 18 tháng, giúp giảm giá thành thiết bị từ 20% đến 30% so với biến tần nhập khẩu từ châu Âu (Chủ thể: Tập đoàn Điện lực Việt Nam phối hợp với các trường đại học kỹ thuật).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung toàn diện của luận văn là nguồn tài liệu giá trị cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo: Tiếp cận phương pháp lập mô hình toán học biến đổi tọa độ Park-Clarke, kỹ thuật điều chế không gian SVM và cấu trúc mô phỏng hệ thống điện mặt trời hòa lưới trên phần mềm chuyên dụng.
  • Kỹ sư R&D thiết kế phần cứng điện tử công suất: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch động lực Boost Converter, thiết kế mạch kích mở van IGBT và cách xác định thông số dung lượng tụ DC-link cũng như cuộn cảm bộ lọc ngõ ra.
  • Chủ đầu tư và đơn vị thi công điện mặt trời áp mái: Nắm bắt nguyên lý làm việc của hệ thống hòa lưới không dùng bình lưu trữ ắc quy, từ đó tối ưu hóa chi phí đầu tư các công trình từ 3 kW đến 150 kW.
  • Cán bộ quản lý vận hành và điều độ lưới điện phân phối: Hiểu rõ tác động của sóng hài bậc cao, độ lệch tần số và cơ chế ổn định điện áp khi các nguồn điện mặt trời phân tán thâm nhập vào hệ thống điện 380V.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ thống hòa lưới trong luận văn không cần sử dụng hệ thống bình ắc quy lưu trữ?
Hệ thống sử dụng bộ biến tần hòa lưới thông minh tự động điều phối năng lượng. Khi dàn pin mặt trời sản sinh công suất dư thừa so với tải tiêu thụ, lượng điện này sẽ được phát trực tiếp lên lưới điện 380V. Ngược lại, khi bức xạ giảm, tải sẽ nhận điện bù từ lưới, giúp tiết kiệm từ 30% đến 40% chi phí đầu tư ban đầu và giảm phát thải độc hại từ pin hóa học.

Phương pháp điều chế vectơ không gian SVM đem lại lợi thế gì so với điều chế độ rộng xung SPWM?
Kỹ thuật SVM xem nghịch lưu ba pha như một khối thống nhất với 8 trạng thái đóng ngắt, cho phép tăng hệ số sử dụng điện áp thanh cái một chiều thêm 15,47% và hạn chế dao động sóng hài dòng điện, từ đó giảm áp lực lọc sóng hài ở ngõ ra lưới.

Bộ khóa pha SRF-PLL thực hiện chức năng gì trong quá trình hòa lưới?
Bộ SRF-PLL liên tục đo lường và tính toán góc pha tức thời của điện áp lưới điện ba pha trong thời gian dưới 100 ms. Nhờ đó, bộ điều khiển định hướng dòng điện phát ra từ bộ nghịch lưu luôn trùng pha hoàn toàn với điện áp lưới, triệt tiêu dòng điện đột biến khi đóng máy cắt.

Thuật toán MPPT xử lý như thế nào khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi liên tục?
Thuật toán MPPT điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ xung đóng cắt của bộ Boost Converter với tần số hàng kHz để liên tục đưa điện áp tấm pin về điểm công suất cực đại trên đường cong P-V, giữ hiệu suất khai thác điện mặt trời luôn ổn định trên mức 98,5%.

Hệ thống có khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng hay không?
Nhờ phép chuyển đổi sang hệ tọa độ quay d-q, dòng điện trục d chịu trách nhiệm điều khiển công suất tác dụng (P), trong khi dòng điện trục q điều khiển công suất phản kháng (Q). Cơ chế này cho phép hệ thống vừa phát tối đa năng lượng hữu ích vừa hỗ trợ ổn định điện áp lưới với hệ số công suất xấp xỉ 0,99.

Kết luận

  • Hoàn thiện thành công mô hình toán học và cấu trúc điều khiển hai tầng gồm bộ tăng áp Boost Converter tích hợp MPPT và bộ nghịch lưu nguồn áp VSI ba pha.
  • Ứng dụng thành công giải thuật điều chế vectơ không gian SVM kết hợp mạch vòng khóa pha PLL, đảm bảo hòa lưới đồng bộ với thời gian xác lập dưới 100 ms và độ méo sóng hài THD chỉ 2,8%.
  • Loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào hệ thống ắc quy lưu trữ đắt tiền, nâng cao hiệu suất truyền tải năng lượng mặt trời trực tiếp vào mạng điện phân phối 380V.
  • Cung cấp nguồn tư liệu học thuật giá trị phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu và phát triển sản phẩm biến tần công nghiệp nội địa trong vòng 12 đến 24 tháng tới.
  • Đề xuất mở rộng thử nghiệm mô hình thực nghiệm trên hệ thống mẫu 10 kW nhằm kiểm chứng độ bền nhiệt và tính tương thích điện từ trong môi trường vận hành thực tế.

Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và kỹ sư điện quan tâm có thể khai thác mô hình mô phỏng này để phát triển các giải pháp biến tần hòa lưới thương mại hiệu năng cao, góp phần thúc đẩy lộ trình chuyển dịch năng lượng xanh bền vững.