Đặt vấn đề Trong bối cảnh hiện nay, khi nhu cầu về nguồn năng lượng sạch và bền vững ngày càng gia tăng, các hệ thống điện mặt trời đang trở thành một phần không thể thiếu trong cơ cấu năng lượng toàn cầu. Sự tích hợp ngày càng nhiều của các hệ thống năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng điện mặt trời, vào lưới điện đã mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường.1 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới Năng lượng điện mặt trời đã được sử dụng rất nhiều trên thế giới nhằm tạo ra nguồn năng lượng sạch và giúp giảm đi chi phí tiêu thụ điện đến từ nhiên liệu hóa thạch. Tại Việt Nam, điện mặt trời được sử dụng rộng rãi từ giữa năm 2019 khi nhà nước khuyến khích sử dụng năng lượng điện mặt trời với chính sách giá mua hấp dẫn. Tại thời điểm đó, nhiều nhà máy điện mặt trời với công suất lên đến vài Megawatt và những công trình điện mặt trời áp vài kW được xuất hiện ào ạt, hiện tại dù năng lượng điện mặt trời không còn phát triển mạnh như thời điểm đó, nhưng không khó để có thể phát hiện những trang trại điện mặt trời và tấm pin điện mặt trời lắp áp mái khắp các khu công nghiệp và hộ gia đình.1 nêu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối lưới, bắt đầu từ việc pin mặt trời tạo ra dòng điện một chiều từ bức xạ mặt trời và nhiệt độ, dòng điện một chiều này được ổn định và thực hiện giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại nhằm đạt được hiệu suất phát điện cao nhất, sau đó dòng điện một chiều được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều thông qua biến tần với điện áp và tần số được tham vấn từ lưới điện và đi qua bộ lọc thụ động trước khi hòa lưới.
Tuy nhiên, vì cơ chế chuyển đổi năng lượng của hệ thống điện mặt trời cũng mang lại nhiều vấn đề về chất lượng điện năng trên lưới điện, tiêu biểu nhất là vấn đề họa tần được phát lên lưới điện. 1 Họa tần là những dạng sóng điện áp và dòng điện không còn là hình sin chuẩn và có tần số là bội số của tần số cơ bản. Khi tích hợp các hệ thống điện mặt trời, các bộ biến tần được sử dụng để chuyển đổi điện năng từ dòng một chiều (DC) sang dòng xoay chiều (AC) có thể là nguồn gốc chính gây ra họa tần. Những họa tần này không chỉ làm giảm hiệu suất của hệ thống điện mà còn có thể gây hư hỏng cho các thiết bị điện, gây nhiễu điện từ và làm tăng tổn thất năng lượng.
Tiêu chuẩn IEEE Std 519-2014 đưa ra các giới hạn rõ ràng về mức độ cho phép của họa tần trong hệ thống điện, nhằm đảm bảo rằng sự tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời không làm giảm chất lượng điện năng. Tuy nhiên, việc tuân thủ các tiêu chuẩn này đòi hỏi phải có các phương pháp đo lường, phân tích và kiểm soát họa tần hiệu quả. Vì vậy, việc phân tích họa tần và những tác động của họa tần khi sự thâm nhập của hệ thống điện mặt trời ngày càng tăng được thực hiện trong luận văn này nhằm xác định được những nguyên nhân thật sự gây ra ảnh hưởng họa tần lên lưới điện và hỗ trợ tìm phương án khắc phục hiệu quả. Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước Hệ thống điện mặt trời được ứng dụng rộng rãi trong cả thị trường trong nước và ngoài nước, trong đó hệ thống điện mặt trời được ứng dụng chủ yếu dưới hai hình thức là trang trại điện mặt trời – Solar farm [1 – 11] thường có công suất phát điện cao từ 1 – 20MW [2 – 11] và công suất phát rất cao tại những solar farm lớn lên đến 180MW [1], ngoài ra hệ thống điện mặt trời được lắp thông dụng hơn theo hình thức lắp đặt áp mái [11 – 25], thương được lắp đặt áp mái tại các khu công nghiệp, nhà máy, trường học lên đến 1.2MW và nhỏ nhất tại mái nhà các hộ dân cư thường chỉ vài KW.
Có thể thấy được rằng đối với solar farm có công suất lớn thường được sử dụng với mục đích chính là kinh doanh điện năng, những nhà máy điện quy mô lớn này thường được giám sát điện, sự cố và hệ thống bảo vệ chặt chẽ, bên cạnh đó vì những hệ thống này thường được phát điện lên lưới truyền tải nên việc lọc họa tần cũng được ưu tiên phần lớn [1;2;6;10] nhằm giảm thiểu lượng họa tần phát lên lưới. Tiêu biểu như, solar farm 20MW được trích từ 1 phần của Solar farm 80MW được xây dựng tại Sarnia, Ontario là trang trại điện mặt trời lớn nhất tại Canada, được phát điện lên lưới 115kV thông qua 2 trạm biến áp 50MVA, và tổng méo dạng họa tần vẫn được giữ dưới 2.3%, đạt theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 [4], dẫn chứng khác tại solar farm 5MW khi sử dụng bộ lọc LCL để lọc đi họa tần bậc 7, giảm họa tần bậc 7 từ 25,13% còn 7.9%, giúp cho tổng méo dạng họa tần điện áp từ 1% còn 0.3% và tổng méo dạng họa tần dòng điện từ 30% còn 3. Thông qua 2 dẫn chứng trên có thể thấy được việc kiểm soát họa tần của các solar farm diễn ra tốt và không chế được mức họa tần mong muốn, điều này đến từ tiêu chuẩn khắc khe hơn tại mức điện áp cao và hệ thống điện mặt trời tập trung như solar farm dễ dàng thực hiện lọc hơn. Trong khi đó, hệ thống điện mặt trời áp mái được sử dụng phổ biến và rộng rãi, vì việc lắp đặt và kinh phí đầu tư dễ tiếp cận hơn nhiều so với trang trại điện mặt trời.
Tuy công suất lắp đặt của hệ thống điện mặt trời áp mái thấp nhưng số lượng lắp đặt 2 lại rất nhiều và công suất đa dạng, đồng thời đo quy mô lắp đặt tương đối nhỏ nên việc lọc họa tần phụ thuộc phần lớn vào bộ lọc LCL được thiết kế sẵn có trong mỗi biến tần. Tuy nhiên theo nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời, inverter tham vấn điện áp và tần số của lưới điện từ đó điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra nhằm thực hiện hòa lưới, nên họa tần xuất hiện trên lưới ngày càng nhiều thì inverter lại tham vấn điện áp và tần số đã méo dạng, điều này làm cho lưới điện ngày càng méo dạng họa tần. Do vậy nhiều bài báo khoa học cũng tìm hiểu về hệ thống điện mặt trời áp mái có số liệu từ hệ thống điện mặt trời áp mái thực tế [11 – 25] những dự án này và từ đó cho ra nhiều phương pháp phân tích họa tần [13; 25]. Bên cạnh đó khi xét đến những yếu tố ảnh hưởng đến họa tần phần lớn được xét về mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời làm gia tăng độ méo dạng họa tần điện áp trên lưới điều này dẫn đến tổng méo dạng họa tần điện áp gia tăng và vượt ngưỡng [12; 15; 16; 21; 23; 30; 51].
Độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời được quyết định dựa vào công suất lắp đặt hệ thống điện mặt trời và công suất trạm biến áp phân phối cho các hệ thống điện mặt trời áp mái đó, nếu công suất điện mặt trời áp mái ngày càng tăng trong khi công suất trạm phân phối không thay đổi, độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời sẽ ngày càng tăng và điều này sẽ làm tổng méo dạng họa tần điện áp trên lưới điện tăng lên. Ngoài ra những ảnh hưởng từ thời tiết làm tăng lượng họa tần dòng điện phát lên lưới cũng được xem xét khi năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng thiếu sự ổn định và phải phụ thuộc nhiều vào thời tiết [14; 49; 50; 52; 54], do công suất điện ngõ ra của pin mặt trời phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ nên chỉ những thay đổi đến từ thời tiết ảnh hưởng đến bức xạ và nhiệt độ sẽ làm công suất ngõ ra tấm pin không ổn định, điều đó tạo điều kiện cho sự dao động xuất hiện trong inverter, làm họa tần dòng điện tại ngõ ra gia tăng. Có thể thấy khi hệ thống điện mặt trời áp mái được xem xét đến có hai hướng chủ yếu là công suất thâm nhập của hệ thống điện mặt trời ngày càng tăng trên lưới phân phối, điều này gây ảnh hưởng nhiều đến tổng độ méo dạng họa tần điện áp của lưới điện và điều kiện thời tiết làm ảnh hưởng đến công suất ngõ ra tấm pin mặt trời làm thay đổi họa tần dòng điện của lưới điện phân phối. Trong các bài viết được nghiên cứu cho luận văn, phần lớn những nghiên cứu đều tập trung vào tổng méo dạng họa tần dòng điện và điện áp, trong các thông số về họa tần, tổng méo dạng họa tần đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá họa tần của hệ thống điện.
Bên cạnh đó, họa tần từng bậc riêng lẻ đóng vai trò hỗ trợ xác định thành phần của tổng méo dạng họa tần, điều này giúp cho việc xác định được nguyên nhân méo dạng họa tần chính xác hơn và xác định được phương pháp xử lý méo dạng họa tần hiệu quả hơn [1; 2; 4; 6; 13; 15; 17; 20; 22; 23; 24; 32; 44; 52; 55]. Trong đó phổ biến nhất trong hệ thống điện mặt trời áp mái khi hòa lưới vào lưới phân phối, họa tần bậc thấp thường đóng vai trò chủ yếu, điều này đến từ kết cấu của biến tần tồn tại 3 nhiều bậc họa tần 5; 7; 11; 13; 17 nên họa tần bậc thấp thường được quan tâm trong những bài nghiên cứu này, tùy thuộc vào từng hệ thống sẽ có mức họa tần từng bậc khác nhau, và để xác định được họa tần bậc thấp này, phương pháp xác định họa tần như FFT – Fast Fourier Transform được sử dụng chủ yếu [25]. Và kết quả phân tích họa tần của hệ thống điện mặt trời sẽ giúp cho việc xác định phương pháp giảm thiểu họa tần hiệu quả hơn.