Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhu cầu tiêu thụ điện năng trên phạm vi toàn cầu cùng yêu cầu giảm phát thải khí nhà kính đã thúc đẩy sự chuyển dịch mạnh mẽ sang các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó hệ thống quang điện (Photovoltaic - PV) chiếm tỷ trọng ngày càng lớn. Tại Việt Nam, các chính sách khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo đã dẫn đến sự bùng nổ của các hệ thống điện mặt trời phân tán, đặc biệt là điện mặt trời áp mái kết nối trực tiếp vào lưới phân phối hạ áp.

Tuy nhiên, lưới điện phân phối truyền thống vốn được thiết kế theo cấu trúc hình tia một chiều, truyền tải điện năng từ trạm biến áp phân phối trung/hạ thế đến các phụ tải tiêu thụ cuối cùng. Khi các nguồn PV phân tán được tích hợp với mật độ cao, dòng công suất không còn chạy theo một chiều duy nhất mà có thể xuất hiện dòng công suất ngược (reverse power flow) khi công suất phát của PV vượt quá nhu cầu tiêu thụ tại chỗ. Hiện tượng này dẫn đến các thách thức kỹ thuật nghiêm trọng đối với hệ thống điện:

  • Mất ổn định điện áp và quá điện áp: Sự tăng vọt của công suất tác dụng phát ngược lên lưới làm gia tăng sụt áp ngược, dẫn đến hiện tượng quá điện áp tại điểm đấu nối chung (Point of Common Coupling - PCC) và các thanh cái (bus) phía cuối đường dây phân phối.
  • Biến động tổn thất công suất: Tùy thuộc vào tương quan giữa công suất phát của PV và phụ tải, tổn thất điện năng có thể giảm khi cấp điện tại chỗ nhưng sẽ tăng mạnh khi xuất hiện dòng công suất ngược lớn chạy qua máy biến áp và đường dây có tiết diện nhỏ.
  • Suy giảm chất lượng điện năng: Thiết bị biến tần (Inverter) của hệ thống PV có thể phát sinh sóng hài bậc cao, dao động điện áp theo biên dạng bức xạ mặt trời, hiện tượng mất cân bằng điện áp giữa các pha và ảnh hưởng đến độ ổn định tần số trong các phân đoạn lưới.

Để đánh giá định lượng các tác động nêu trên và thiết lập chế độ vận hành an toàn, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng là yêu cầu thiết yếu. Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng phần mềm mô phỏng hệ thống điện phân phối có kết nối PV" do sinh viên Đinh Viết Lương và Đỗ Hoài Nam thực hiện (dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Ngọc Âu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, khóa 2020, bảo vệ tháng 06/2025) tập trung giải quyết bài toán này.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Xây dựng mô hình hệ thống điện phân phối hạ áp có kết nối nguồn PV trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng ETAP (Electrical Transient Analyzer Program).
  2. Ứng dụng phần mềm ETAP mô phỏng và phân tích định lượng quá trình quá điện áp trong mạng điện hạ áp khi tích hợp nguồn PV dưới các chế độ phụ tải và hệ số công suất khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng quá điện áp, phân bố công suất và các thông số vận hành điện áp nút trong mạng phân phối điện hạ thế có tích hợp nguồn quang điện phân tán.
  • Phạm vi không gian và hệ thống: Lưới điện phân phối trung/hạ áp, bao gồm trạm biến áp 20 kV/0.4 kV, hệ thống đường dây cáp hạ áp, các nút phụ tải tập trung và nguồn PV. Kiểm chứng mô phỏng được thực hiện trên 2 cấu hình mạng: mô hình lưới cơ bản 5 bus (5 phụ tải và 5 cụm PV công suất 30 kW) và mô hình mở rộng 20 bus (7 phụ tải và 7 cụm PV đấu nối tại các bus C12, C14, C17, C18, C19, C20).
  • Phạm vi thời gian và dữ liệu: Dữ liệu cường độ bức xạ mặt trời theo chu kỳ 24 giờ của tháng 04/2025 tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên mô hình mạch tương đương Thevenin tại điểm đấu nối chung (PCC) của mạng điện hạ áp. Điện áp tại điểm PCC ($U_{PCC}$) khi có nguồn PV cấp dòng $I_{nf} = I_{PV} - I_L$ được biểu diễn qua phương trình:

$$U_{PCC} = U_{th} + Z_{th} \cdot I_{nf}$$

Trong đó $Z_{th} = R_{th} + jX_{th}$ là trở kháng Thevenin nhìn từ điểm đấu nối, $U_{th}$ là điện áp Thevenin của lưới. Khi bỏ qua tổn thất công suất trên trở kháng tương đương, dòng điện thực tế bơm vào lưới phụ thuộc vào công suất tác dụng ròng ($P$) và công suất phản kháng ròng ($Q$):

$$I_{nf} = \frac{P - jQ}{U_{th}}$$

Do trong lưới phân phối hạ áp phần thực của điện áp chiếm ưu thế tuyệt đối ($U_{Re}^2 \gg U_{Im}^2$), độ lớn điện áp tăng thêm tại điểm PCC ($\Delta U$) được tính gần đúng theo biểu thức:

$$\Delta U \cdot U_{th} \approx P \cdot R_{th} + Q \cdot X_{th}$$

Từ biểu thức này, công suất tác dụng tối đa ($P_{max}$) mà hệ thống PV có thể phát vào lưới mà không gây vượt ngưỡng điện áp tối đa cho phép ($U_{max}$) được giới hạn bởi:

$$P_{max} = \frac{\Delta U_{max} \cdot U_{th} - Q \cdot X_{th}}{R_{th}}$$

Mối quan hệ giữa công suất tác dụng ($P_{PV}$) và công suất phản kháng ($Q_{PV}$) phát ra từ bộ biến tần PV được điều khiển thông qua hệ số công suất ($PF_{PV} = \cos\varphi$):

$$Q_{PV}(t) = P_{PV}(t) \cdot \tan\left(\arccos PF_{PV}\right)$$

Công suất biểu kiến tổng hợp bị giới hạn bởi định mức của inverter: $S_{PV} = \sqrt{P_{PV}^2 + Q_{PV}^2} \le S_{PV,max}$.

Về mặt phần cứng quang điện, đề tài áp dụng các công thức tính toán thiết kế chuỗi pin mặt trời theo dải nhiệt độ vận hành cực trị ($T_{min}$, $T_{max}$):

  • Tính toán điện áp tại điểm công suất cực đại $V_{MPP}$ ở nhiệt độ thấp nhất và điện áp hở mạch $V_{OC}$ ở nhiệt độ cao nhất.
  • Xác định số lượng mô-đun PV tối thiểu ($N_{Smin}$) và tối đa ($N_{Smax}$) trong một chuỗi để tương thích dải điện áp làm việc MPPT của bộ biến tần:

$$N_{Smin} = \frac{V_{inv,min}}{V_{MPP}(T_{max})}, \quad N_{Smax} = \frac{V_{inv,max}}{V_{OC}(T_{min})}$$

  • Tính toán dòng điện ngắn mạch tối đa ($I_{SC}$) và số chuỗi tối đa song song dựa trên khả năng chịu dòng cực đại của biến tần ($I_{inv,max}$).

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp 4 phương pháp nghiên cứu kỹ thuật hệ thống điện:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp lý thuyết lưới điện phân phối hạ áp, nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện (silicon đơn tinh thể, đa tinh thể, màng mỏng), cấu trúc biến tần (string inverter, micro-inverter, central inverter), cơ chế phát sinh quá áp và các tiêu chuẩn vận hành điện áp lưới hạ thế (ngưỡng giới hạn $\pm 10%$, tức $0.9 \text{ pu} \le U \le 1.1 \text{ pu}$).
  2. Phương pháp phân tích và thiết kế mô hình: Xây dựng sơ đồ nguyên lý một sợi trên phần mềm ETAP phiên bản chuyên dụng, định lượng các thông số trở kháng đường dây cáp, thông số dung lượng máy biến áp, thông số danh định của tấm pin PV và biến tần.
  3. Phương pháp mô phỏng dòng công suất theo thời gian: Khởi chạy thuật toán trào lưu công suất (Load Flow Analysis) trên ETAP trong chu kỳ 24 giờ với bước thời gian 1 giờ, khảo sát biến thiên điện áp nút dưới 2 kịch bản chính: hệ thống không tải và hệ thống có tải (với đồ thị phụ tải biến thiên thực tế), kết hợp quét 5 mức hệ số công suất của inverter: $PF = 1.0;; 0.95;; 0.90;; 0.85;; 0.80$.
  4. Phương pháp đề xuất giải pháp điều khiển: Xây dựng thuật toán logic ngắt/kết nối các tổ máy PV dựa trên tín hiệu giám sát điện áp nút tức thời để ngăn chặn sự cố quá áp cục bộ.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu bức xạ mặt trời theo giờ tại TP. Hồ Chí Minh trong tháng 04/2025.
  • Thông số kỹ thuật thiết bị: Trạm biến áp 250 kVA - 20/0.4 kV, cáp truyền tải hạ thế nhiều sợi cách điện chuẩn, tải tập trung công nghiệp nhẹ/sinh hoạt công suất 10 kW với $PF = 0.95$, các cụm tấm pin mặt trời công suất đỉnh 30 kW.

Thiết kế và thiết lập mô phỏng kỹ thuật trên phần mềm ETAP

Quy trình mô phỏng kỹ thuật trong đồ án được chuẩn hóa qua 5 bước thao tác trên phần mềm ETAP:

[Bước 1: Thiết lập mô hình sơ đồ một sợi]
[Bước 2: Cài đặt thông số kỹ thuật phần tử]
[Bước 3: Cấu hình kịch bản trào lưu công suất (Load Flow Study)]
[Bước 4: Chạy thuật toán mô phỏng & xuất kết quả]
[Bước 5: Phân tích và thử nghiệm giải pháp điều khiển cắt/đóng PV]

Dữ liệu đầu vào về bức xạ mặt trời tháng 04/2025 tại TP. Hồ Chí Minh được nạp trực tiếp vào mô-đun Irradiance Calc. của phần mềm ETAP, thể hiện diễn biến từ sáng đến tối:

Thời điểm t (h) Bức xạ (W/m²) Thời điểm t (h) Bức xạ (W/m²) Thời điểm t (h) Bức xạ (W/m²)
0 - 5 0 11 933 17 545
6 355 12 941 18 328
7 560 13 933 19 - 23 0
8 762 14 906
9 857 15 854
10 908 16 755

Ghi chú số liệu: Đỉnh bức xạ đạt 941 W/m² vào lúc 12h trưa; từ 19h tối đến 5h sáng hôm sau bức xạ hoàn toàn bằng 0 W/m².

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này thiết lập cơ sở khoa học và tính cấp thiết của đề tài. Tác giả chỉ ra sự mâu thuẫn giữa nhu cầu tích hợp điện mặt trời mái nhà nhằm giảm áp lực cung ứng điện với nguy cơ phá vỡ giới hạn ổn định điện áp trên lưới phân phối hiện hữu. Tác giả xác định hai mục tiêu trọng tâm (xây dựng mô hình trên ETAP và mô phỏng hiện tượng quá áp), vạch rõ phạm vi nghiên cứu trên cấp điện áp hạ thế với hai cấu hình mạng 5 bus và 20 bus, đồng thời xác lập phương pháp luận gồm 4 bước từ nghiên cứu lý thuyết đến đề xuất giải pháp điều khiển.

Chương 2: Xây dựng sơ đồ mạng điện phân phối hạ áp bằng phần mềm ETAP

Chương 2 trình bày toàn diện nền tảng lý thuyết và quy trình xây dựng công cụ tính toán:

  • Cấu trúc lưới phân phối: Phân tích ưu nhược điểm của 3 dạng lưới: hình tia (chi phí thấp nhưng độ tin cậy thấp, dễ mất điện diện rộng), lưới vòng (độ tin cậy cao hơn, chi phí tăng 20-30%) và lưới liên thông (độ tin cậy cao nhất, chi phí đầu tư và vận hành đắt đỏ nhất). Định hình các thành phần cơ bản của trạm phân phối 20/0.4 kV.
  • Nguyên lý PV và bộ nghịch lưu: Cấu tạo các lớp của tấm pin (kính cường lực, EVA, solar cells, backsheet, khung nhôm); so sánh hiệu suất giữa pin đơn tinh thể (18-22%), đa tinh thể (15-18%) và màng mỏng (10-12%); phương pháp mắc nối tiếp (tăng điện áp) và song song (tăng dòng điện); vai trò chuyển đổi DC-AC và điều tiết công suất phản kháng của biến tần.
  • Tác động kỹ thuật của PV lên lưới: Khảo sát hiện tượng tăng điện áp tại nút theo mô hình mạch Thevenin; phân tích ranh giới công suất truyền ngược gây quá áp và tổn thất trên đường dây; đánh giá tác động phát sinh sóng hài, lệch pha và dao động điện áp do bức xạ không ổn định.
  • Giới thiệu và khai thác phần mềm ETAP: Khảo sát các thanh công cụ, hệ thống phần tử AC-DC và các bước tham số hóa thiết bị trên các giao diện: Rating của Power Grid, Short Circuit của máy biến áp 250 kVA, thông số trở kháng cáp phân phối (R, X), cấu hình mảng PV Array kèm bảng bức xạ tháng 04/2025, và các thẻ điều khiển công suất phát của Inverter.

Chương 3: Mô phỏng ảnh hưởng quá điện áp mạng điện hạ áp có kết nối hệ thống PV

Chương 3 là phần thực nghiệm mô phỏng cốt lõi, cung cấp các số liệu định lượng chi tiết trên hai quy mô mạng:

1. Mô hình lưới 5 bus (5 tải 10 kW, 5 hệ PV 30 kW, MBA 250 kVA)

  • Trường hợp không tải:
    • Khi $\cos\varphi_{inv} = 1.0$: Điện áp tại các bus tăng dần theo cường độ bức xạ, đạt giá trị lớn nhất vào 12h trưa là 443 V tương đương 1.10 pu (nằm đúng ngưỡng cho phép). Điện áp ban đêm giữ ở mức danh định 400 V (1.0 pu).
    • Khi giảm hệ số công suất biến tần sang chế độ phát/tiêu thụ công suất phản kháng ($\cos\varphi_{inv} = 0.95; 0.90; 0.85; 0.80$): Hiện tượng quá áp nghiêm trọng xuất hiện tại các bus xa nguồn (Bus 4 và Bus 5). Cụ thể, tại 12h trưa, điện áp Bus 5 đạt 1.11 pu khi $PF = 0.95$, tăng lên 1.13 pu khi $PF = 0.90$, chạm mức 1.135 pu khi $PF = 0.85$ và đạt 1.13 pu khi $PF = 0.80$.
Thông số kịch bản PF Inverter = 1.0 PF Inverter = 0.95 PF Inverter = 0.90 PF Inverter = 0.85 PF Inverter = 0.80
Điện áp Bus 5 max (Không tải, 12h) 443 V (1.10 pu) > 1.10 pu 1.13 pu 1.135 pu 1.13 pu
Trạng thái quá áp Bus 5 (Không tải) Giới hạn Quá áp Quá áp Quá áp Quá áp
Điện áp Bus 5 max (Có tải, 12h) 437 V (1.09 pu) 1.107 pu 1.115 pu 1.120 pu 1.127 pu
Điện áp Bus 5 min (Có tải, 6h & 18h) 381 V (0.95 pu) Sụt áp nhẹ Sụt áp nhẹ Sụt áp nhẹ Sụt áp nhẹ
Trạng thái vận hành Bus 5 (Có tải) An toàn Quá áp Quá áp Quá áp Quá áp
  • Trường hợp có tải (PF tải = 0.95, phụ tải biến thiên):
    • Tại $\cos\varphi_{inv} = 1.0$: Lúc 12h trưa, nhờ phụ tải tiêu thụ tại chỗ một phần công suất phát của PV, điện áp cao nhất tại Bus 5 chỉ đạt 437 V (1.09 pu), đảm bảo an toàn dưới ngưỡng 1.10 pu. Tại các thời điểm tải cao nhưng không có bức xạ (6h và 18h), điện áp giảm xuống mức thấp nhất là 381 V (xấp xỉ 0.95 pu - 0.97 pu).
    • Khi $\cos\varphi_{inv} \le 0.95$: Tình trạng quá áp tái diễn tại Bus 5 vào giữa trưa: đạt 1.107 pu ($PF=0.95$), 1.115 pu ($PF=0.90$), 1.12 pu ($PF=0.85$) và 1.127 pu ($PF=0.80$).

2. Mô hình mở rộng 20 bus (7 tải, 7 cụm PV tại C12-C14, C17-C20)

  • Trường hợp không tải: Hiện tượng quá điện áp tại Bus 5 diễn ra nghiêm trọng hơn do quy mô công suất nguồn phân tán lớn hơn. Vào 12h trưa, điện áp Bus 5 đạt 1.14 pu ngay cả khi $PF = 1.0$. Khi giảm PF biến tần từ 0.95 xuống 0.85, điện áp cực đại tại Bus 5 leo thang từ 1.15 pu lên 1.16 pu và đạt cực trị 1.17 pu ($PF = 0.85$). Sau 17h, toàn bộ hệ thống trở về điện áp danh định 1.0 pu.
  • Trường hợp có tải:
    • Tại $PF = 1.0$, điện áp trưa tại Bus 5 đạt 1.09 pu (an toàn). Tuy nhiên, vào lúc 18h chiều, sự suy giảm hoàn toàn của bức xạ PV kết hợp với nhu cầu phụ tải sinh hoạt đạt đỉnh đã gây sụt áp sâu tại Bus 6 xuống mức 0.96 pu.
    • Tại các giá trị $PF < 1.0$, Bus 5 tiếp tục bị quá áp vào buổi trưa: 1.11 pu ($PF = 0.95$), xấp xỉ 1.12 pu ($PF = 0.90$), 1.12 pu ($PF = 0.85$) và 1.13 pu ($PF = 0.80$). Đồng thời, hiện tượng sụt áp tại Bus 6 (xuống 0.96 pu) tiếp tục xuất hiện vào khung giờ 5h sáng và 18h tối.

3. Thử nghiệm đề xuất điều khiển giảm thiểu quá áp

Để khắc phục tình trạng trên mà không cần cải tạo toàn bộ đường dây, nhóm tác giả đề xuất giải pháp điều khiển cắt tải PV chủ động:

  • Cài đặt hệ số công suất Inverter ở mức nghiêm ngặt $PF = 0.8$.
  • Thiết lập thuật toán giám sát ngưỡng: Tự động ngắt kết nối hệ thống PV khi điện áp nút đo được vượt quá $1.10 \text{ pu}$; chỉ cho phép tái kết nối khi điện áp hệ thống hạ xuống dưới $1.02 \text{ pu}$.
  • Kết quả mô phỏng kiểm chứng: Vào khoảng 11h trưa, khi bức xạ gia tăng làm điện áp bus chạm ngưỡng $1.10 \text{ pu}$, bộ điều khiển tiến hành ngắt các biến tần PV2, PV4 và PV7. Việc ngắt chọn lọc này giúp hạ điện áp toàn mạng về mức an toàn trong khi các nguồn PV1, PV3, PV5 và PV6 vẫn duy trì phát điện. Đến 14h, khi cường độ bức xạ tự nhiên suy giảm đưa điện áp các nút về dưới $1.02 \text{ pu}$, hệ thống điều khiển tự động đóng kết nối lại cho PV2, PV4 và PV7, đưa toàn bộ hệ thống trở về trạng thái vận hành ổn định.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tổng kết toàn bộ các kết quả định lượng thu được từ các kịch bản mô phỏng ETAP, khẳng định mức độ ảnh hưởng trực tiếp của hệ số công suất inverter và vị trí đấu nối đến biên độ điện áp nút. Đồng thời, tác giả vạch ra các hướng hoàn thiện kỹ thuật trong các nghiên cứu tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác định được quy luật biến thiên điện áp trên lưới hạ áp 0.4 kV theo chu kỳ bức xạ ngày: Hiện tượng tăng áp bắt đầu rõ nét từ 7h sáng, đạt cực đại vào 12h trưa (trùng thời điểm bức xạ đỉnh đạt 941 W/m²) và triệt tiêu sau 17h chiều.
  • Chứng minh bằng số liệu mô phỏng: Trên sơ đồ 5 bus không tải, điện áp tại bus cuối đường dây (Bus 5) tăng từ 1.10 pu ($PF = 1.0$) lên cực đại 1.135 pu ($PF = 0.85$). Trên sơ đồ mở rộng 20 bus không tải, điện áp Bus 5 vượt ngưỡng an toàn trong mọi trường hợp, đạt từ 1.14 pu ($PF = 1.0$) đến đỉnh điểm 1.17 pu ($PF = 0.85$).
  • Khẳng định vai trò bù trừ công suất của phụ tải: Khi có phụ tải tiêu thụ tại chỗ ($PF_{load} = 0.95$), ở chế độ $PF_{inv} = 1.0$, điện áp nút cực đại được ghìm xuống mức an toàn (1.09 pu đối với cả lưới 5 bus và 20 bus). Tuy nhiên, khi phụ tải biến thiên độc lập với nguồn phát, lưới điện đối mặt với nguy cơ kép: quá áp vào giữa trưa (đạt tới 1.13 pu) và sụt áp sâu vào giờ cao điểm không có nắng (chạm mức 0.96 pu tại Bus 6 vào lúc 5h và 18h).
  • Chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển logic: Thuật toán ngắt luân phiên các cụm PV (cụ thể ngắt PV2, PV4, PV7 lúc 11h và đóng lại lúc 14h) đã hạ thấp điện áp toàn mạng về phạm vi quy định mà không làm gián đoạn hoàn toàn sản lượng điện sạch của toàn trạm.

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật

  • Áp dụng nguyên lý cắt giảm công suất phát PV (curtailment/disconnection) theo ngưỡng điện áp: Ngắt khi $U \ge 1.10 \text{ pu}$ và tự động tái hòa lưới khi $U \le 1.02 \text{ pu}$.
  • Khuyến nghị cấu hình hệ số công suất biến tần gần bằng 1.0 ($PF \approx 1.0$) trong điều kiện vận hành bình thường để hạn chế sự cộng hưởng gia tăng điện áp do thành phần phản kháng trên lưới hạ thế có tỷ số $R/X$ lớn.

Đóng góp kỹ thuật

So với các nghiên cứu lý thuyết chung, đồ án đã lượng hóa trực tiếp các kịch bản vận hành bằng số liệu bức xạ thực tế tại TP. Hồ Chí Minh năm 2025, xây dựng chi tiết quy trình 5 bước mô phỏng trên phần mềm ETAP từ bước khai báo phần tử đến phân tích dòng công suất, và kiểm chứng hiệu quả của thuật toán bảo vệ quá áp theo ngưỡng ngưỡng trên mô hình đa nút phức tạp (20 bus).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình mô phỏng áp dụng dữ liệu bức xạ cố định trung bình của tháng 04/2025, chưa xét đến các dao động ngẫu nhiên nhanh (tính trạng mây che đột ngột trong vài giây hoặc vài phút).
  • Giải pháp điều khiển đề xuất mới dừng lại ở dạng điều khiển đóng/ngắt rời rạc từng tổ biến tần (bật/tắt on-off), chưa tích hợp điều khiển công suất mịn liên tục (chế độ điều khiển đường cong Volt-VAR hoặc Volt-Watt tích hợp sẵn trong inverter thông minh).
  • Đồ án chưa đi sâu phân tích định lượng phổ sóng hài bậc cao phát sinh từ bộ nghịch lưu trong quá trình đóng cắt.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu các thuật toán điều khiển công suất phản kháng động thông minh trên inverter (Volt-VAR, Volt-Watt, tự động thay đổi nấc phân áp dưới tải OLTC).
  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống pin lưu trữ năng lượng (Battery Energy Storage System - BESS) tại các nút xung yếu nhằm hấp thụ công suất PV dư thừa vào giờ trưa và xả bù công suất vào giờ cao điểm chiều tối, giải quyết đồng thời bài toán quá áp và sụt áp.
  • Mở rộng phân tích các chỉ tiêu chất lượng điện năng khác như sóng hài, độ nhấp nháy điện áp (flicker) và mất cân bằng pha trên lưới hạ thế 3 pha 4 dây thực tế.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Hệ thống điện và Năng lượng tái tạo: Tài liệu cung cấp hướng dẫn từng bước (step-by-step) về cách thức sử dụng phần mềm ETAP để mô hình hóa lưới phân phối hạ áp, cài đặt thông số máy biến áp, cáp điện, phụ tải và hệ thống nguồn PV phân tán.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời: Cung cấp nguồn số liệu tham khảo thực tế về mức độ gia tăng điện áp tại các thanh cái hạ thế tương ứng với các giá trị hệ số công suất biến tần khác nhau, giúp đưa ra quyết định lựa chọn điểm đấu nối và dung lượng lắp đặt PV tối ưu.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất: Quy trình 5 bước thiết lập mô hình trong Chương 2; bảng số liệu phân bố điện áp 24 giờ trong Chương 3 (Bảng 3.1 và Bảng 3.2); và phương pháp phân tích sự thay đổi điện áp khi biến tần vận hành ở các chế độ hệ số công suất $PF$ khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc đấu nối nguồn PV vào lưới hạ thế lại gây ra hiện tượng quá điện áp tại các nút xa nguồn?

Theo mô hình mạch Thevenin, độ tăng điện áp tại điểm đấu nối phụ thuộc vào công thức $\Delta U \cdot U_{th} \approx P \cdot R_{th} + Q \cdot X_{th}$. Lưới phân phối hạ áp có đặc tính đường dây dài, tiết diện nhỏ nên điện trở $R_{th}$ tương đối lớn (tỷ số $R/X$ cao). Khi hệ thống PV phát công suất tác dụng $P$ lớn vào thời điểm phụ tải tiêu thụ tại chỗ thấp, dòng công suất ngược chạy về trạm biến áp tạo ra sự sụt áp ngược chiều dọc theo tuyến dây, đẩy điện áp tại các thanh cái cuối đường dây (như Bus 4, Bus 5) tăng cao, vượt ngưỡng cho phép $1.10 \text{ pu}$.

2. Hệ số công suất (PF) của Inverter ảnh hưởng như thế nào đến mức độ quá áp trong các kịch bản mô phỏng?

Khi Inverter vận hành với $PF = 1.0$ (chỉ phát công suất tác dụng $P$), mức độ tăng điện áp là thấp nhất (tại 12h trưa, Bus 5 ở lưới 5 bus có tải chỉ đạt 1.09 pu). Khi hệ số công suất giảm dần về phía trễ ($PF = 0.95 \rightarrow 0.80$), sự xuất hiện của dòng công suất phản kháng kết hợp với cảm kháng đường dây làm gia tăng biên độ sụt áp tổng hợp, khiến điện áp tại các nút PV tăng mạnh hơn (đạt tới 1.135 pu trên lưới 5 bus không tải và 1.17 pu trên lưới 20 bus không tải).

3. Đồ án sử dụng bộ dữ liệu bức xạ mặt trời nào và thời điểm nào ghi nhận áp lực quá áp lớn nhất?

Đồ án sử dụng dữ liệu cường độ bức xạ mặt trời theo chu kỳ 24 giờ của tháng 04/2025 tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh. Bức xạ bắt đầu xuất hiện lúc 6h sáng (355 W/m²), tăng dần và đạt đỉnh điểm vào lúc 12h trưa với giá trị 941 W/m² (các khung giờ lân cận 11h và 13h đạt 933 W/m²), sau đó giảm dần và tắt hoàn toàn từ 19h. Áp lực quá điện áp lớn nhất trên toàn bộ các kịch bản mô phỏng luôn xuất hiện tập trung vào khung giờ 11h - 13h trưa.

4. Thuật toán điều khiển giảm thiểu quá áp đề xuất trong đồ án hoạt động theo nguyên tắc nào?

Thuật toán hoạt động dựa trên cơ chế so sánh ngưỡng điện áp đo được tại các bus PV:

  • Khi điện áp tại bus PV vượt quá ngưỡng trên an toàn là $1.10 \text{ pu}$ (xảy ra lúc 11h trưa), hệ thống điều khiển tự động ngắt kết nối các bộ biến tần PV2, PV4 và PV7, giúp hạ thấp điện áp toàn mạng trong khi vẫn duy trì phát điện ở các cụm PV còn lại (PV1, PV3, PV5, PV6).
  • Khi cường độ bức xạ tự nhiên suy giảm và điện áp tại các nút đo hạ xuống dưới ngưỡng dưới an toàn là $1.02 \text{ pu}$ (ghi nhận vào lúc 14h), hệ thống điều khiển sẽ tự động phát tín hiệu đóng mạch và kết nối vận hành trở lại cho các bộ biến tần đã ngắt.

5. Cấu trúc mô hình lưới điện phân phối 20 bus mở rộng trong Chương 3 được thiết lập như thế nào?

Mô hình mở rộng gồm 20 thanh cái (bus) phân phối nhận điện từ trạm biến áp hạ áp. Trong đó, hệ thống tích hợp 7 cụm phụ tải tập trung và 7 hệ thống pin PV phân tán được đấu nối song song trực tiếp tại 7 thanh cái xác định gồm: C12, C14, C17, C18, C19 và C20. Cấu trúc này đại diện cho mô hình thực tế của một tuyến phân phối hạ thế cung cấp điện cho nhiều hộ tiêu thụ có lắp đặt điện mặt trời áp mái.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đinh Viết Lương và Đỗ Hoài Nam đã ứng dụng thành công phần mềm ETAP để xây dựng và mô phỏng chi tiết chế độ vận hành trào lưu công suất của lưới điện phân phối hạ áp khi tích hợp nguồn điện mặt trời phân tán. Các kết quả mô phỏng trên sơ đồ 5 bus và 20 bus với dữ liệu bức xạ thực tế tháng 04/2025 tại TP. Hồ Chí Minh đã lượng hóa rõ nét hiện tượng quá điện áp tại các thanh cái cuối đường dây vào khung giờ trưa (vượt ngưỡng 1.10 pu, đạt cực đại 1.17 pu khi giảm hệ số công suất inverter), đồng thời phát hiện nguy cơ sụt áp xuống 0.96 pu vào giờ cao điểm phụ tải chiều tối. Giải pháp điều khiển cắt/đóng luân phiên các tổ máy PV theo ngưỡng điện áp $1.10 \text{ pu}$ và $1.02 \text{ pu}$ được đề xuất đã chứng minh tính hiệu quả kỹ thuật trong việc giữ vững ổn định điện áp mà vẫn tối ưu hóa khả năng khai thác năng lượng tái tạo.