Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng điện trên toàn cầu tăng trưởng không ngừng nhằm đáp ứng quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Theo số liệu thống kê quốc tế, nhu cầu điện năng thế giới đã vượt mốc 19 nghìn tỷ kWh với tốc độ tăng trưởng bình quân đạt khoảng 2,6% mỗi năm. Dự báo đến năm 2030, tỷ trọng năng lượng tái tạo sẽ chiếm hơn 25% tổng sản lượng điện toàn cầu, trong đó các nguồn năng lượng sạch như mặt trời, gió, sinh khối và địa nhiệt sẽ đạt công suất khoảng 2.872 TWh, tăng gấp 8 lần so với giai đoạn trước.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ tính chất bất định của các nguồn năng lượng tái tạo. Khi nguồn điện mặt trời sử dụng pin quang điện được tích hợp với quy mô lớn vào hệ thống điện truyền thống, sự thay đổi liên tục của các điều kiện tự nhiên như cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường sẽ tác động trực tiếp đến tính ổn định của hệ thống điện. Đồng thời, các hiện tượng sự cố ngắn mạch trên đường dây hoặc sự suy giảm bức xạ đột ngột do bóng râm có thể dẫn đến nguy cơ mất ổn định điện áp, dao động tần số và làm giảm chất lượng điện năng.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, xây dựng mô hình toán học mảng pin quang điện, khảo sát hệ thống nghịch lưu hòa lưới ba pha sử dụng giải thuật bám điểm công suất cực đại và phân tích toàn diện ổn định của hệ thống điện khi có sự tham gia của nguồn điện mặt trời. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hệ thống điện kết nối qua máy biến áp 47 MVA với cấp điện áp 120/25 kV, được thực hiện và hoàn thành vào tháng 04 năm 2018 tại Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng khi xác lập các cơ sở kỹ thuật nhằm duy trì độ lệch điện áp trong ngưỡng cho phép từ âm 5% đến dương 5% ở chế độ vận hành bình thường, đảm bảo an ninh vận hành lưới điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ổn định hệ thống điện truyền thống kết hợp với lý thuyết điều khiển tự động trong kỹ thuật điện tử công suất. Hai trạng thái ổn định cốt lõi được xem xét bao gồm ổn định tĩnh với tiêu chuẩn đạo hàm công suất theo góc lệch dP/dδ lớn hơn 0 và ổn định động dựa trên phương trình cân bằng chuyển động rotor máy phát dưới tác động của các kích động lớn.

Mô hình toán học của pin quang điện được thiết lập dựa trên sơ đồ thay thế mạch điện một diode có xét đến tổn hao nội tại. Dòng điện ngõ ra được mô tả qua phương trình phụ thuộc vào dòng quang điện ngắn mạch Isc, dòng điện bão hòa ngược I0 khoảng 10 mũ trừ 12 A/cm2, điện trở nối tiếp Rs khoảng 0,05 Ohm và điện trở song song Rp khoảng 1,0 Ohm. Ở điều kiện tiêu chuẩn với nhiệt độ 25 độ C, điện áp hở mạch Voc của mỗi tế bào quang điện đạt khoảng 0,5 V đến 0,6 V.

Bên cạnh đó, khung lý thuyết tích hợp giải thuật bám điểm công suất cực đại InC dựa trên nguyên lý vi phân dẫn nạp để liên tục định vị điểm làm việc tối ưu của mảng pin. Hệ thống nghịch lưu ba pha hòa lưới sử dụng bộ biến đổi điều khiển nguồn áp kết hợp kỹ thuật khóa pha PLL trên hệ tọa độ đồng bộ dq, giúp đồng bộ hóa chính xác tần số 50 Hz và góc pha giữa điện áp ngõ ra của biến tần với điện áp của lưới điện phân phối.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm các thông số bức xạ mặt trời thực nghiệm biến thiên trong dải từ 200 W/m2 đến 1000 W/m2, kết hợp cùng các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của đường dây truyền tải và trạm biến áp phân phối 120/25 kV.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập với mảng pin quang điện công suất tập trung có cấu trúc ghép nối gồm 5 chuỗi song song, mỗi chuỗi chứa 66 module nối tiếp, tạo thành hệ thống 330 module pin mặt trời hoàn chỉnh. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu tham số điển hình mô phỏng, đại diện cho cấu trúc của các trạm điện mặt trời nối lưới trung áp thực tế.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô phỏng số phi tuyến miền thời gian trên nền tảng phần mềm chuyên ngành kỹ thuật điện MATLAB/Simulink. Lý do lựa chọn phương pháp này là khả năng giải chính xác các hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả quá trình quá độ điện từ với bước thời gian siêu nhỏ tính bằng micro-giây. Phương pháp cho phép khảo sát an toàn các kịch bản sự cố nguy hiểm như ngắn mạch ba pha mà không làm hư hỏng thiết bị vật lý thực tế. Tiến trình nghiên cứu được triển khai liên tục và hoàn thiện vào tháng 04 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, trong điều kiện vận hành với cường độ bức xạ ổn định ở mức tiêu chuẩn 1000 W/m2 và nhiệt độ 25 độ C, hệ thống nguồn pin quang điện vận hành chính xác tại điểm công suất cực đại, điện áp một chiều ngõ ra đạt giá trị định mức và công suất phát hòa lưới tại thanh cái B1 duy trì ổn định với độ dao động điện áp dưới 1,5%.

Thứ hai, khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi đột ngột từ 1000 W/m2 xuống 400 W/m2 (tương đương mức giảm 60%), hệ thống điều khiển sử dụng giải thuật InC đã phản hồi tức thì. Dòng điện nguồn giảm tỷ lệ thuận từ giá trị định mức xuống mức thấp hơn, công suất tác dụng phát vào lưới giảm khoảng 58%, trong khi điện áp pha tại thanh cái B1 chỉ xuất hiện dao động nhỏ dưới 0,05 giây trước khi xác lập lại điểm cân bằng mới.

Thứ ba, trong kịch bản xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha trực tiếp tại thanh cái B1 trước điểm nối lưới, dòng điện ngắn mạch pha A tăng vọt gấp 4,5 lần so với dòng làm việc định mức, điện áp pha sụt giảm sâu về gần giá trị 0 V. Ngay sau khi bộ phận bảo vệ cô lập điểm sự cố, hệ thống nghịch lưu hòa lưới đã nhanh chóng dập tắt các dao động quá độ và khôi phục trạng thái ổn định vận hành sau khoảng thời gian 0,3 giây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các biến thiên công suất bắt nguồn từ đặc tính vật lý bán dẫn của pin quang điện, trong đó dòng điện ngắn mạch Isc phụ thuộc tuyến tính vào mật độ photon ánh sáng chiếu tới bề mặt tế bào quang điện. Việc điện áp lưới duy trì được sự ổn định khi bức xạ thay đổi là nhờ bộ điều khiển dòng dq và vòng khóa pha PLL đã thực hiện việc tách kênh điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q một cách độc lập.

Dữ liệu mô phỏng trong nghiên cứu được trình bày chi tiết thông qua các biểu đồ đặc tuyến điện áp - dòng điện V-I, đặc tuyến điện áp - công suất V-P và đồ thị dạng sóng quá độ theo thời gian thực của điện áp pha A cùng dòng điện tại thanh cái B1. Các bảng số liệu so sánh chỉ ra rằng trong suốt quá trình quá độ do ngắn mạch, độ lệch tần số luôn được giữ trong phạm vi hẹp từ 49,85 Hz đến 50,15 Hz, hoàn toàn thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành hệ thống điện hiện hành.

So với các nghiên cứu trước đây vốn sử dụng giải thuật P&O truyền thống thường có thời gian xác lập kéo dài trên 0,4 giây và tồn tại hiện tượng dao động công suất quanh điểm MPP, việc áp dụng giải thuật InC trong luận văn đã giúp rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ xuống dưới 0,15 giây, giảm thiểu đáng kể hiện tượng nhấp nháy điện áp và tổn hao năng lượng trong quá trình chuyển tiếp chế độ làm việc.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp giải thuật bám điểm công suất cực đại sang các thuật toán thông minh như mạng nơ-ron mờ ANFIS nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu hồi năng lượng tăng thêm khoảng 3% đến 5% trong các tình huống thời tiết phức tạp hoặc xuất hiện hiện tượng bóng râm che khuất một phần mảng pin. Giải pháp này do các kỹ sư và chuyên gia R&D tại nhà máy điện triển khai thực hiện trong vòng 6 tháng.

Thứ hai, tích hợp chế độ điều khiển PV-STATCOM cho toàn bộ hệ thống nghịch lưu nhằm tận dụng tối đa dung lượng nhàn rỗi của biến tần vào ban đêm để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, duy trì hệ số công suất cos phi luôn đạt trên 0,95 tại điểm đấu nối 25 kV. Kế hoạch do đội ngũ vận hành trạm biến áp thực hiện định kỳ hàng quý.

Thứ ba, trang bị bổ sung các bộ lọc tích cực xoay chiều SAPF và thiết bị bù đồng bộ tĩnh tại trạm biến áp phân phối 47 MVA để triệt tiêu các sóng hài bậc cao sinh ra do quá trình đóng cắt của khóa điện tử công suất, đảm bảo tổng biến dạng sóng hài dòng điện THD luôn duy trì dưới ngưỡng 3% theo đúng quy chuẩn kỹ thuật điện lực. Chủ thể thực hiện là đơn vị quản lý lưới điện phân phối trong giai đoạn 2024 - 2025.

Thứ tư, hoàn thiện hệ thống bảo vệ rơ-le số tự động có khả năng nhận diện vùng sự cố sụt áp cục bộ, ngăn chặn tình trạng ngắt kết nối không mong muốn của nguồn điện mặt trời khi xảy ra sự cố ngoài vùng bảo vệ, đảm bảo tính liên tục cung cấp điện. Giải pháp do Trung tâm Điều độ Hệ thống điện phối hợp cùng chủ đầu tư hoàn thành trong thời hạn 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế và vận hành trạm điện năng lượng mặt trời. Nhóm này có thể ứng dụng trực tiếp các phương trình toán học về mô hình hóa mảng pin 5 x 66 module và thuật toán nghịch lưu ba pha để tính toán, lựa chọn thông số biến tần phù hợp với điều kiện bức xạ thực tế tại các dự án nguồn điện trung áp.

Nhóm thứ hai là các cán bộ điều độ và quản lý kỹ thuật tại các công ty điện lực. Kết quả phân tích về ổn định tĩnh và phản ứng quá độ khi xảy ra ngắn mạch ba pha cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng để thiết lập các thông số bảo vệ rơ-le, đánh giá mức độ thâm nhập an toàn của nguồn quang điện vào lưới phân phối khu vực.

Nhóm thứ ba là các giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện. Luận văn là tài liệu tham khảo học thuật giá trị, cung cấp phương pháp luận chặt chẽ từ việc tổng quan tài liệu trong và ngoài nước, xây dựng mô hình toán học vi phân đến kỹ thuật mô phỏng hệ thống điện phức hợp trên phần mềm MATLAB/Simulink.

Nhóm thứ tư là các đơn vị tư vấn và nhà đầu tư phát triển năng lượng tái tạo. Báo cáo giúp chủ đầu tư đánh giá chính xác các rủi ro kỹ thuật liên quan đến chất lượng điện năng, mức độ tổn thất công suất qua máy biến áp 47 MVA, từ đó xây dựng phương án kinh tế và giải pháp kỹ thuật tối ưu trước khi triển khai các dự án quy mô lớn.

Câu hỏi thường gặp

Việc kết nối nguồn điện năng lượng mặt trời quy mô lớn ảnh hưởng như thế nào đến ổn định tĩnh của hệ thống điện? Khi nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng cao, mức quán tính cơ học của hệ thống bị suy giảm do không có các khối lượng quay truyền thống. Tuy nhiên, nếu hệ thống biến tần được trang bị bộ điều khiển bám góc pha chính xác và duy trì tiêu chuẩn dP/dδ lớn hơn 0, độ lệch điện áp tại các thanh cái vẫn được giữ ổn định trong phạm vi cho phép từ âm 5% đến dương 5%.

Tại sao giải thuật dẫn nạp gia tăng InC lại được ưu tiên sử dụng hơn giải thuật P&O truyền thống? Giải thuật InC dựa trên nguyên lý so sánh độ dẫn nạp vi phân với độ dẫn nạp tức thời để tìm kiếm điểm cực đại. Dữ liệu mô phỏng cho thấy InC loại bỏ hoàn toàn hiện tượng dao động công suất quanh điểm MPP ở trạng thái xác lập và rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ xuống dưới 0,15 giây khi cường độ bức xạ biến thiên từ 1000 W/m2 xuống 400 W/m2.

Phản ứng của hệ thống nghịch lưu diễn ra như thế nào khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha tại thanh cái B1? Khi xảy ra ngắn mạch ba pha, điện áp thanh cái sụt giảm nghiêm trọng và dòng điện pha tăng vọt gấp khoảng 4,5 lần định mức. Nhờ hệ thống điều khiển dòng dq kết hợp vòng khóa pha PLL, hệ thống đã hạn chế được biên độ dòng ngắn mạch và tự động tái lập trạng thái cân bằng chỉ sau 0,3 giây kể từ thời điểm loại trừ sự cố.

Vai trò chính của máy biến áp 47 MVA cấp điện áp 120/25 kV trong mô hình nghiên cứu là gì? Máy biến áp 47 MVA đóng vai trò làm điểm ghép nối trung gian giữa trạm phát điện quang điện 25 kV và lưới truyền tải 120 kV. Thiết bị này giúp nâng áp để giảm tổn thất truyền tải trên đường dây dài, đồng thời tạo điểm trung tính nối đất qua điện trở nhằm hạn chế dòng sự cố chạm đất và bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện tử công suất.

Hệ thống nghịch lưu của nhà máy điện mặt trời có thể hỗ trợ điều chỉnh điện áp vào ban đêm được không? Biến tần quang điện hoàn toàn có thể vận hành như một thiết bị bù tĩnh PV-STATCOM vào ban đêm. Khi không có bức xạ mặt trời, toàn bộ công suất định mức của bộ nghịch lưu được sử dụng để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng vào lưới 25 kV, giúp ổn định điện áp khu vực mà không cần đầu tư thêm các dàn tụ bù riêng biệt.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học chi tiết của pin quang điện có xét đến ảnh hưởng của điện trở nối tiếp Rs khoảng 0,05 Ohm và điện trở song song Rp khoảng 1,0 Ohm.
  • Ứng dụng hiệu quả giải thuật bám điểm công suất cực đại InC kết hợp hệ thống nghịch lưu ba pha hòa lưới sử dụng vòng khóa pha PLL trên hệ tọa độ dq.
  • Khẳng định khả năng duy trì ổn định tĩnh của hệ thống điện với độ lệch điện áp luôn nằm trong giới hạn an toàn từ âm 5% đến dương 5% khi bức xạ dao động từ 400 W/m2 đến 1000 W/m2.
  • Đánh giá chính xác đáp ứng động và khả năng tự phục hồi của hệ thống điện sau 0,3 giây khi xuất hiện sự cố ngắn mạch ba pha nguy hiểm tại thanh cái 25 kV.
  • Đóng góp nguồn tài liệu tham khảo học thuật và giải pháp kỹ thuật tin cậy cho công tác quy hoạch, điều độ hệ thống điện năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2024 - 2026 sẽ tập trung mở rộng mô hình tích hợp đa nguồn lai ghép gồm điện mặt trời, tua-bin gió và hệ thống pin lưu trữ năng lượng BESS quy mô lớn. Quý độc giả, các kỹ sư điện và các nhà nghiên cứu quan tâm hãy tiếp tục khai thác toàn văn công trình để ứng dụng hiệu quả vào thực tiễn thiết kế và vận hành hệ thống điện hiện đại.