(Luận Văn Thạc Sĩ) Phân Tích Hệ Thống Điện Có Xét Nguồn Điện Năng Lượng Mặt Trời.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM NGUYỄN HỒNG PHƯỚC PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành Kỹ thuật điện Mã số ngành 60520202[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

NGUYỄN HỒNG PHƯỚC

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

NGUYỄN HỒNG PHƯỚC

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có)

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Phước Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:

I- Tên đề tài:

Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Đánh giá tình hình khai thác và sử dụng nguồn điện năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

- Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

- Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Huỳnh Châu Duy

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Hồng Phước

Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô của Trường Đại học Công nghệ Tp HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật HUTECH đã

hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn

Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS TS Huỳnh Châu Duy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báo cho việc hoàn thành Luận văn này

Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện Luận văn của em

Nguyễn Hồng Phước

Các phân tích cho thấy rằng, các nguồn năng lượng tái tạo đã, đang và

sẽ được quan tâm khai thác nhiều hơn trong tương lai Trong số, các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời được quan tâm khá nhiều, đặc biệt là tại các quốc gia có điều kiện tự nhiên như Việt Nam

Bên cạnh đó, tương ứng với quy mô khai thác công suất lớn cho mục tiêu giảm các gánh nặng về cơ cấu nguồn điện cho các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện và nhiệt điện, xu hướng nối lưới của các hệ thống điện năng lượng tái tạo được quan tâm nhiều hơn trong thời gian gần đây

Khi nối lưới hệ thống điện năng lượng tái tạo mà cụ thể được khảo sát trong luận văn này là hệ thống điện năng lượng mặt trời thì các ảnh hưởng của việc nối lưới nguồn năng lượng điện này là cần được quan tâm, đặc biệt liên quan đến ổn định cho hệ thống điện khi các thông số đầu vào của nguồn năng lượng mặt trời bị thay đổi như cường độ bức xạ, nhiệt độ,

Chính vì các lý do trên, đề tài “Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này

Luận văn bao gồm các nội dung như sau:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

+ Chương 2: Tổng quan các nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời

+ Chương 3: Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời

+ Chương 4: Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời

+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

The analysis shows that the renewable energy sources have been and will be interested in exploiting more in the future Among the renewable energy sources, solar energy is of great interest, especially in countries with natural conditions such as Vietnam In addition, it corresponds to a large scale

of exploitation for the purpose of reducing the burden of power generation on traditional power sources such as hydro power and thermal power The trend of the power systems which connected with the renewable energy sources is more concerned in recent times

The connection of the solar energy systems to the grid is specifically investigated in this thesis The effects of the grid connection are to be considered The stability of the power system when the input parameters of the solar energy source is changed such as irradiation, temperature or various short circuit types happened in the power system

For the above reasons, the topic "Analyzing of power system including

a solar energy source" is selected and implemented in this thesis

This thesis includes the following contents:

MỤC LỤC

Mục lục i

Danh sách hình vẽ iii

Chương 1 - Giới thiệu chung 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Nhu cầu năng lượng thế giới 1

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 6

1.4 Đối tượng nghiên cứu 6

1.5 Phạm vi nghiên cứu 6

1.6 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 6

1.7 Phương pháp nghiên cứu 7

1.8 Bố cục của luận văn 7

1.9 Kết luận 8

Chương 2 - Tổng quan các nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời 9

2.1 Giới thiệu 9

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 9

2.3 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 11

2.4 Kết luận 15

Chương 3 - Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời 16

3.1 Hệ thống điện 16

3.1.1 Giới thiệu 16

3.1.2 Cấu trúc của hệ thống điện 17

3.1.3 Các chế độ làm việc của hệ thống điện 20

3.1.4 Chất lượng điện năng của hệ thống điện 23

3.1.5 Ổn định trong hệ thống điện 26

3.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời 32

3.2.1 Giới thiệu 32

3.2.2 Mô hình toán pin quang điện 33

3.2.3 Module pin quang điện 35

3.2.4 Mảng pin quang điện 36

3.2.5 Các ảnh hưởng đến pin quang điện 38

3.2.5.1 Ảnh hưởng của cường độ bức xạ 39

3.2.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 39

3.2.5.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm 40

3.2.6 Hệ thống pin quang điện nối lưới 44

3.2.7 Các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC 46

3.2.7.1 Bộ biến đổi DC/DC 46

3.2.7.2 Bộ biến đổi DC/AC 47

3.2.8 Giải thuật tìm điểm công suất cực đại 57

Chương 4 - Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời 61

4.1 Giới thiệu 61

4.2 Hệ thống điện chưa kết nối với nguồn pin quang điện 62

4.3 Hệ thống nguồn pin quang điện 70

4.4 Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn pin quang điện 73

4.4.1 Cường độ bức xạ không đổi 74

4.4.2 Cường độ bức xạ thay đổi 80

4.4.3 Ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B1, trước điểm nối lưới 86

4.5 Kết luận 91

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 93

5.1 Kết luận 93

5.2 Hướng phát triển tương lai 93

Tài liệu tham khảo 94

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nhu cầu sử dụng điện trên thế giới từ 1970 đến 2015 1

Hình 1.2 Tiêu thụ năng lượng điện tại các quốc gia được công nghiệp hóa và đang phát triển từ 1990 đến 2015 2

Hình 1.3 Tiêu thụ năng lượng điện ở các nước phát triển Châu Á từ 1990 đến 2015 3

Hình 1.4 Cắt giảm khí thải theo Hiệp định thư Kyoto 3

Hình 1.5 Đóng góp của nguồn năng lượng tái tạo trong cơ cấu nguồn điện của các nước trên thế giới năm 2004 và 2030 5

Hình 3.1 Khảo sát ổn định tĩnh của hệ thống điện đơn giản 27

Hình 3.2 Khảo sát ổn định tĩnh của hệ thống điện 4 nút 28

Hình 3.3 Khảo sát ổn định động 30

Hình 3.4 Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện 33

Hình 3.5 Các tham số quan trọng của pin quang điện (Dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V oc) 33

Hình 3.6 Mô hình thay thế pin quang điện có xét đến các tổn hao 34

Hình 3.7 Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p 35

Hình 3.8 Module pin quang điện 35

Hình 3.9 Đặc tính của module pin quang điện 36

Hình 3.10 Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau 37

Hình 3.11 Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau 37 Hình 3.12 Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau 38

Hình 3.13 Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ bức xạ khác nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 250C 39

Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau và cường độ bức xạ không đổi 1 kW/m2 39

Hình 3.15 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường

hợp module không bị che khuất 40

Hình 3.16 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module bị che khuất một phần 40

Hình 3.17 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang điện 41

Hình 3.18 Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất 42 Hình 3.19 Module pin quang điện sử dụng diode bypass 42

Hình 3.20 Đặc tính của pin quang điện trong trường hợp sử dụng diode bypass 43

Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass 43

Hình 3.22 Hệ thống pin quang điện nối lưới 44

Hình 3.23 Sơ đồ khối hệ thống pin quang điện nối lưới 45

Hình 3.24 Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao 45

Hình 3.25 Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp 46

Hình 3.26 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch 47

Hình 3.27 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới 48

Hình 3.28 Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới 49

Hình 3.29 Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL 50

Hình 3.30 Tín hiệu ngõ ra VCO 51

Hình 3.31 Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha 52

Hình 3.32 Hệ trục tọa độ  53

Hình 3.33 Hệ trục tọa độ dq 54

Hình 3.34 Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL 55

Hình 3.35 Giải thuật InC 47

Hình 3.36 Lưu đồ giải thuật InC 60

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện có xét nguồn pin quang điện 61

Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện có xét nguồn pin quang điện 61

Hình 4.3 Hệ thống điện chưa có kết nối nguồn pin quang điện 62 Hình 4.4 Nguồn của hệ thống điện chưa có kết nối nguồn pin quang điện 63

Hình 4.5 Máy biến áp 47 MVA, 120/25 kV 65

Hình 4.6 Máy biến áp tạo trung tính nối đất qua điện trở 65

Hình 4.7 Thông số của máy biến áp tạo trung tính qua điện trở nối đất 66

Hinh 4.8 Thông số của phân đoạn 1 67

Hình 4.9 Thông số của phân đoạn 2 68

Hình 4.10 Phụ tải 1 69

Hình 4.11 Phụ tải 2 70

Hình 4.12 Thông số của hệ thống pin quang điện 71

Hình 4.13 Đặc tính V-I và V-P của module pin quang điện tương ứng với cường độ bức xạ Gi thay đổi 72

Hình 4.14 Đặc tính V-I và V-P của mảng pin quang điện (5 x 66) tương ứng với cường độ bức xạ Gi thay đổi 73

Hình 4.15 Cường độ bức xạ không đổi, G = 1000 (W/m2) 74

Hình 4.16 Điện áp của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ không đổi 75

Hình 4.17 Cường độ dòng điện của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ không đổi 75

Hình 4.18 Công suất phát của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ không đổi 76

Hình 4.19 Điện áp pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ không đổi 76 Hình 4.20 Cường độ dòng điện pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ không đổi 77

Hình 4.21 Công suất nguồn phát tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ không đổi 77

Hình 4.22 Cường độ bức xạ thay đổi 80

Hình 4.23 Điện áp của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ thay đổi 81

Hình 4.24 Cường độ dòng điện của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ thay đổi 81

Hình 4.25 Công suất phát của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ thay đổi 82

Hình 4.26 Điện áp pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ thay đổi 82 Hình 4.27 Cường độ dòng điện pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức

xạ thay đổi 83 Hình 4.28 Công suất nguồn phát tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ thay đổi 83 Hình 4.29 Vị trí xảy ra ngắn mạch 3 pha 87 Hình 4.30 Thông số mô tả ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B1 87 Hình 4.31 Cường độ bức xạ thay đổi trong khảo sát hệ thống có ngắn mạch

3 pha 88 Hình 4.32 Điện áp của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 88 Hình 4.33 Cường độ dòng điện của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 89 Hình 4.34 Công suất phát của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 89 Hình 4.35 Điện áp pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 90 Hình 4.36 Cường độ dòng điện pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 90 Hình 4.37 Công suất nguồn phát tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 91

Hai dạng năng lượng phổ biến nhất thường được sử dụng là nhiệt và điện Trong đó, nhiệt là năng lượng của các phần tử chuyển động trong các chất Các phần tử càng chuyển động nhanh, chất càng nóng lên Điện là dạng năng lượng của các electron chuyển động dọc theo dây dẫn như dây đồng

1.2 Nhu cầu năng lượng thế giới

Theo Bộ năng lượng Mỹ, nguồn điện là nguồn năng lượng tăng nhanh nhất trong các thập kỉ tới trên toàn thế giới Nhu cầu sử dụng năng lượng điện

đã tăng lên 19 nghìn tỷ kWh năm 2015 với tỷ lệ tăng hàng năm là 2,6%, Hình 1.1

Hình 1.1 Nhu cầu sử dụng điện trên thế giới từ 1970 đến 2015

Nhu cầu sử dụng năng lượng điện trong lĩnh vực công nghiệp tại các quốc gia đang phát triển và các quốc gia có nền công nghiệp phát triển được đánh giá là tăng đến năm 2015 như Hình 1.2

Hình 1.2 Tiêu thụ năng lượng điện tại các quốc gia được công nghiệp hóa và

đang phát triển từ 1990 đến 2015

Hình 1.2 cho thấy tiêu thụ năng lượng điện tăng nhanh ở các nước phát triển Tổ chức các nước phát triển và hợp tác kinh tế (Oganisation for Economic Co-operation and Development, OECD) chiếm 20% dân số thế giới nhưng tiêu thụ lượng điện đến 60% lượng điện thế giới Mặc dù, Mỹ là nước tiêu thụ lượng điện nhiều nhất thế giới nhưng Mỹ có tỷ lệ tăng thấp nhất, 1,3% Trong khi, tỷ lệ tăng trung bình của thế giới là 2,6% Mêhicô là quốc gia có tỷ

lệ tăng cao nhất hàng năm là 4,7% đến năm 2015 Các nước phát triển ở Châu

Á được dự đoán là sẽ có tỷ lệ tăng cao nhất khoảng 5%, Hình 1.3

Khi nhu cầu năng lượng điện tăng, nguồn than sẽ giữ vai trò tích trữ năng lượng cơ bản cho việc phát điện, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ Do

đó, việc chia sẻ phát điện bằng năng lượng hạt nhân đang tiến đến đỉnh cao nhưng các nhà khoa học dự đoán rằng nó sẽ tàn lụi trong tương lai Con người mong muốn rằng than đá, khí tự nhiên và năng lượng tái tạo sẽ phát triển thay thế kế hoạch năng lượng hạt nhân cũ kĩ Trong đó năng lượng tái tạo sẽ chiếm phần lớn trong sự phát triển chung đó Nói đến năng lượng tái tạo có nghĩa là

nói đến nguồn năng lượng sạch Hiện nay, trên thế giới đang kêu gọi giảm tác động của các nguồn năng lượng đến môi trường, cụ thể là Hiệp định thư Kyoto

Hình 1.3 Tiêu thụ năng lượng điện ở các nước phát triển Châu Á từ 1990 đến

2015

Hình 1.4 Cắt giảm khí thải theo Hiệp định thư Kyoto

Năng lượng tái tạo giữ một vai trò rất quan trọng trong các loại năng lượng điện đang tồn tại Trên thế giới, đến năm 2030, năng lượng tái tạo dự kiến cung cấp hơn 25% tổng lượng điện Trong năm 2004, tổng lượng điện của nguồn năng lượng tái tạo là 18% Trong những khoảng thời gian nhất định, việc phát điện từ nguồn năng lượng tái tạo tăng từ 3179 TWh đến 7775 TWh

và năng lượng tái tạo trở thành nguồn phát điện lớn thứ hai sau nguồn nhiên

liệu than

Việc tăng trưởng có kế hoạch là kết quả của các chính sách mới đang được xem xét Giả sử rằng các chính sách này sẽ được thực hiện, cũng như kết quả của việc mở rộng và cũng cố chính sách hiện thời Hầu hết, các nước thuộc OECD và ngoài OECD đang xem xét chính sách để tăng việc đóng góp các nguồn năng lượng tái tạo Với các nước thuộc Liên minh Châu Âu mà chưa có mục tiêu sử dụng năng lượng tái tạo trước năm 2010, mặc dù đã có các chính sách quốc gia liên quan

Tại Mỹ, khoảng một nửa các tiểu bang đã có kế hoạch tăng việc sử dụng năng lượng tái tạo thông qua tiêu chuẩn đầu tư năng lượng tái tạo

Tại Trung Quốc, Luật năng lượng tái tạo đã có hiệu lực từ năm 2006, sẽ tạo ra các ảnh hưởng sâu và rộng đối với việc phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo

Tại các quốc gia OECD, cơ cấu của năng lượng tái tạo tăng 10% trên mức hiện tại

Tại các quốc gia đang phát triển, cơ cấu của năng lượng tái tạo tăng khoảng 4%

Theo các quy hoạch, đối với các quốc gia thuộc OECD, tăng trưởng ấn tượng nhất là 38% lượng điện dựa trên năng lượng điện tái tạo vào năm 2030

Cơ cấu của thủy điện trong việc phát điện của thế giới là 16% vào năm 2030, cũng tương tự như hiện nay Hầu hết, các nhà máy thủy điện mới được xây dựng ở các quốc gia đang phát triển Tại các quốc gia này, nguồn năng lượng

dự phòng chưa được khai thác và vẫn còn rất lớn Tuy nhiên, rõ ràng rằng các quốc gia đang phát triển này vẫn quan tâm đến các nguồn năng lượng tái tạo do các ảnh hưởng và tác động của các nguồn thủy điện và nhiệt điện Công suất của thủy điện trên thế giới đang tiến đến khoảng 1431 GW năm 2030, so với khoảng 851 GW hiện nay Tại Trung Quốc, công suất thủy điện tăng từ khoảng

105 GW vào năm 2004 đến khoảng 298 GW vào năm 2030 Tại Ấn Độ, công suất thủy điện tăng từ khoảng 31 GW vào năm 2004 đến khoảng đến khoảng

105 GW vào năm 2030

Năng lượng điện được phát ra từ năng lượng mặt trời, gió, sinh khối, địa

nhiệt, thủy triều và sóng biển đạt công suất 2872 TWh vào năm 2030, tăng khoảng 8 lần so với hiện nay, tương ứng với cơ cấu tăng từ 2% cho đến 10% vào năm 2030 Trong đó, việc tăng nhiều nhất là tại quốc gia Châu Âu thuộc OECD Dự kiến, các nguồn năng lượng tái tạo này sẽ đáp ứng khoảng 22% nhu cầu sử dụng năng lượng điện, Hình 1.5 Việc tăng đáng kể này phản ánh các chính sách mới nhắm đến ủng hộ việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo

Hình 1.5 Đóng góp của nguồn năng lượng tái tạo trong cơ cấu nguồn điện của

các nước trên thế giới năm 2004 và 2030

Các phân tích cho thấy rằng, các nguồn năng lượng đã, đang và sẽ được quan tâm khai thác nhiều hơn trong tương lai Trong số, các nguồn năng lượng tái tạo được trình bày, năng lượng mặt trời được quan tâm khá nhiều, đặc biệt

là tại các quốc gia có điều kiện tự nhiên như Việt Nam

Bên cạnh đó, tương ứng với quy mô khai thác công suất lớn cho mục tiêu giảm các gánh nặng về cơ cấu nguồn điện cho các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện và nhiệt điện, xu hướng nối lưới của các hệ thống điện năng lượng tái tạo được quan tâm nhiều hơn trong thời gian gần đây

Khi nối lưới hệ thống điện năng lượng tái tạo mà cụ thể được khảo sát trong luận văn này là hệ thống điện năng lượng mặt trời thì các ảnh hưởng của việc nối lưới nguồn năng lượng điện này là cần được quan tâm, đặc biệt liên quan đến ổn định cho hệ thống điện khi các thông số đầu vào của nguồn năng lượng mặt trời bị thay đổi như cường độ bức xạ, nhiệt độ,

Chính vì các lý do trên, đề tài “Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Việc kết nối các nguồn điện năng lượng tái tạo vào cơ cấu nguồn điện chung của hệ thống điện là một xu hướng tích cực Tuy nhiên, cần phải có các nghiên cứu và đánh giá về ổn định cho hệ thống điện khi sự kết nối này được thực hiện nhằm đảm bảo mục tiêu an ninh hệ thống điện

Vì vậy, đề tài “Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời” là cần thiết

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là một hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

1.5 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:

- Đánh giá tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng điện mặt trời

- Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

- Mô hình và mô phỏng một hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

- Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

1.6 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

- Nghiên cứu và xây dựng hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

- Nghiên cứu kết nối nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện vào lưới điện

- Nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện trong các điều kiện của cường độ bức xạ,

1.7 Phương pháp nghiên cứu

- Về lý thuyết:

+ Thu thập tài liệu và nghiên cứu phân tích hệ thống điện truyền thống + Thu thập tài liệu và nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện

- Về mô phỏng:

+ Trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu, xây dựng các mô hình phục vụ cho việc

mô phỏng hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin

quang điện và nghiên cứu phân tích hệ thống điện đang khảo sát này

1.8 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 5 chương:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

+ Chương 2: Tổng quan các nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời

+ Chương 3: Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời

+ Chương 4: Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời

+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

1.9 Kết luận

Sự phát triển của cơ cấu nguồn điện gắn liền với sự phát triển của hệ thống phụ tải mà đã yêu cầu các nhà khoa học phải tích cực nghiên cứu và triển khai đưa các nguồn năng lượng tái tạo tham gia vào cơ cấu nguồn hiện hữu Trong số các nguồn năng lượng tái tạo đang tồn tại và được sử dụng phổ biến thì nguồn năng lượng mặt trời được nhiều nhà khoa học quan tâm Việc kết nối nguồn năng lượng điện mặt trời vào cơ cấu nguồn điện truyền thống có thể gây

ra các ảnh hưởng mà cần phải được quan tâm nghiên cứu và đánh giá Các ảnh hưởng có thể xuất phát từ sự thay đổi của các điều kiện tự nhiên như sự thay đổi của điều kiện bức xạ, sự thay đổi của nhiệt độ hoặc các sự cố như ngắn mạch xảy ra trong hệ thống điện có xét đến nguồn năng lượng mặt trời Các vấn đề trên sẽ được tìm hiểu và nghiên cứu trong luận văn này

hệ thống điện truyền thống sẽ được xem như là một hệ thống lưu trữ vô cùng lớn cho hệ thống điện năng lượng mặt trời

Khi hai hệ thống này được kết nối lại với nhau thành một hệ thống điện

mà được gọi là hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời thì các phân tích liên quan đến hệ thống điện này cần thiết phải được nghiên cứu Gần đây, các nhà khoa học đã quan tâm nhiều đến vấn đề này mà sẽ được trình bày trong phần kế tiếp

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tác giả Tạ Văn Toàn đã thực hiện nghiên cứu, "Phân tích hoạt động của

hệ thống năng lượng mặt trời kết nối vào lưới phân phối khi có hiện tượng sụt áp" trong Luận văn Thạc Sĩ của mình [1] Trong đề tài nghiên cứu này, tác giả

đã nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng sụt áp do ngắn mạch đến sự hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời; dựa vào kết quả phân tích hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện xác định được các trường hợp cắt không mong muốn của hệ thống điện năng lượng mặt trời ra khỏi lưới điện khi gặp hiện tượng sụt áp Thêm vào đó, tác giả cũng đề ra giải pháp để hệ

thống điện năng lượng mặt trời ngắt kết nối khi sự cố trong vùng tác động của

nó và giữ kết nối đối vối các trường hợp ngoài vùng tác động

Tác giả Nguyễn Thành đã thực hiện nghiên cứu, "Pin quang điện và vấn

đề kết nối lưới điện" trong Luận văn Thạc sĩ của mình [2] Tác giả đã tìm hiểu

hệ thống pin quang điện, phân tích các phương pháp điều khiển truy tìm điểm tối ưu công suất “MPPT” (Maximum Power Point Tracking) Có nhiều cách khác nhau để điều khiển MPPT như giải thuật P&O, INC, CV … thông thường

sử dụng hệ điều khiển MPPT theo giải thuật P&O Tuy nhiên, giải thuật P&O vẫn còn những vấn đề như thời gian đáp ứng chậm, chưa chính xác khi các điều kiện môi trường thay đổi nhanh, tồn tại dao động xung quanh điểm MPP Tác giả đã đề nghị một phương pháp điều khiển MPPT khác, đó là ứng dụng mạng ANFIS để điều khiển truy tìm điểm tối ưu công suất “MPPT” với các ưu điểm như: đạt hiệu quả chuyển hóa năng lượng tối đa, tốc độ đáp ứng nhanh, phương pháp điều khiển đơn giản, phù hợp với xu hướng phát triển của công nghệ Khi tiến hành mô phỏng hệ quang điện kết nối lưới điện để so sánh hai phương pháp điều khiển MPPT (P&O và ANFIS) kết quả thu được tốt hơn khi cải thiện

độ méo dạng sóng hài (THD)

Các tác giả Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Đình Quang và Trần Tùng đã thực hiện nghiên cứu, "Nghiên cứu tiêu chuẩn và phương pháp tối ưu công suất phát của hệ thống điện mặt trời nối lưới: xét cho trường hợp lưới điện hạ thế 1 pha" [3] Các tác giả đã tập trung nghiên cứu hệ thống điện mặt trời nối lưới trên cơ sở kỹ thuật điều khiển công suất phát nhờ thay đổi góc pha giữa điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu và điện áp lưới điện và đồng bộ dòng công suất xoay chiều đầu ra của bộ nghịch lưu vào lưới điện Bên cạnh đó, các tác giả cũng đưa

ra được những nghiên cứu về tiêu chuẩn kết nối

Các tác giả Trương Việt Anh và Nguyễn Bá Thuận đã giới thiệu một nghiên cứu, "Phương pháp mới hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện phân phối" [4] Trong nghiên cứu này, các tác giả trình bày một mô hình kết nối nguồn năng lượng mặt trời, cũng như các nguồn năng lượng phân tác khác tại cá hộ gia đình, hòa đồng bộ vào lưới điện phân phối Việc hòa này dùng phương pháp điều khiển bám sát tần số, điện áp của nguồn lưới cũng như

nguồn năng lượng mặt trời Kết quả khảo sát trên mô hình của phương pháp cho thấy khả năng ổn định dòng điện bơm vào lưới bất chấp sự thay đổi của điện áp và tần số lưới điện hoặc điện áp nguồn một chiều của hệ thống nghịch lưu bị suy giảm hay tăng cao Ngoài ra, mô hình còn có khả năng giảm thiểu lượng công suất kháng truyền vào lưới để tận dụng tối đa khả năng các khóa điện tử của bộ biến đổi nghịch lưu trong việc truyền dòng công suất tác dụng

Các tác giả Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Ngo Manh Dung, Pham Quang An, Pham Dinh Truc va Nguyen Huu Phuc đã nghiên cứu, "Active and reactive power controller for single-phase grid-connected photovoltaic systems" [5] Các tác giả đã trình bày một giải thuật điều khiển cho một hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới điện một pha Trong đó, biến tần được thiết kế cho các mảng pin quang điện kết nối lưới có thể đồng bộ hóa ngõ

ra hình sin với một lưới điện Công suất tác dụng và phản kháng được điều khiển tuần tự bằng góc tải và biên độ điện áp ngõ ra của biến tần Ngoài ra, điểm công suất cực đại luôn tìm được công suất tối ưu của mảng pin quang điện đang sử dụng Bộ điều khiển nạp công suất tác dụng cực đại vào lưới với

hệ số công suất là bằng 1, trong khi nó cũng cho phép điều chỉnh công suất phản kháng được đưa vào lưới điện Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ thống điều khiển có hiệu suất tốt

2.3 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Khi hệ thống điện có sự tham gia của các nguồn pin quang điện, các phân tích liên quan đến chất lượng điện năng và ổn định của hệ thống điện mới này cần được quan tâm Các tác giả Natthanon Phannil, Chaiyan Jettanasen và Atthapol Ngaopitakkul đã giới thiệu các phân tích về chất lượng điện năng của một hệ thống điện có sự tham gia của nguồn pin quang điện [6] Có thể nhận thấy rằng nguồn pin quang điện được nối với lưới điện truyền thống thông qua

hệ thống nghịch lưu Trong đó, quá trình đóng cắt của các thiết bị nghịch lưu là nguyên nhân chính Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng phần lớn các họa tần

là xuất phát từ nguồn hệ thống pin quang điện và tải Ngoài ra, các so sánh và đánh giá cũng cho thấy rằng họa tần của hệ thống nguồn pin quang điện ảnh

hưởng nhiều đến tải và các họa tần của lưới bị ảnh hưởng bởi tải nhiều hơn là bởi hệ thống nguồn pin quang điện

Các tác giả Kaveh Rahimi, Saeed Mohajeryami và Alizera Majzoobi đã phân tích các ảnh hưởng của các hệ thống nguồn pin quang điện đến chất lượng điện năng của hệ thống điện [7] Các tác giả đã mô phỏng các dao động trên các nguồn pin quang điện thông qua hiện tượng bóng râm Các chỉ tiêu lần lượt được khảo sát bao gồm: tổng nhiễu họa tần (Total Harmonic Distortion (THD))

và nhiễu họa tần thành phần (Individual Harmonic Distortion (IHD)) Ngoài ra, các kết quả mô phỏng cũng cho thấy rằng cường độ bức xạ giảm do hiện tượng bóng râm cũng ảnh hưởng một cách đáng kể đến THD hiện tại của hệ thống

Fetissi Selxa, Labed Djamel, Labed Imen và Serghine Hassiba đã trình bày ảnh hưởng của thiết bị ổn định hệ thống điện (Power system stabilizer, PSS) và thiết bị bù đồng bộ tĩnh (Static synchronous compensator, STATCOM) đối với việc phân tích ổn định động cho một hệ thống điện có xét đến nguồn pin quang điện [8] Báo cáo thực hiện khảo sát cho các hệ thống điện sau: hệ thống điện bao gồm nhiều máy phát, hệ thống điện có xét đến nguồn pin quang điện và hệ thống có xét đến nguồn pin quang điện và các thiết bị hỗ trợ nâng cao ổn định khác như PSS và STATCOM Rõ ràng rằng, các thiết bị PSS và STATCOM đã hỗ trợ đắc lực để cải thiện ổn định góc rotor, cũng như làm giảm các dao động tần số

Các tác giả E Munkhchuluun, L Meegahapola và A Vahidnia đã nghiên cứu tác động lên sự ổn định góc rotor mà bao gồm cả sự ổn định góc rotor quá độ và nhiễu nhỏ với sự thâm nhập lớn của hệ thống điện pin năng lượng mặt trời vào hệ thống điện truyền thống [9] Trong nghiên cứu này, một phương pháp luận có hệ thống được đề xuất để nghiên cứu sự ổn định góc rotor

có xét đến hệ thống điện năng lượng mặt trời bằng cách duy trì hằng số các thông số hệ thống ở trạng thái xác lập Các thông số này bao gồm công suất tác dụng, công suất phản kháng và sai lệch góc rotor cực đại Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng bằng cách tích hợp hệ thống điện năng lượng mặt trời vào lưới điện, ổn định tín hiệu nhỏ đã được cải thiện ngoại trừ các tình huống sự cố tại các vị trí xa, nơi mà các máy phát điện có bộ ổn định hệ thống điện (Power

System Stabiliser, PSS) được thay thế cho hệ thống điện năng lượng mặt trời Trong khi đó, ổn định động đã trở nên xấu đi do việc gia tăng sự tham gia của

hệ thống điện năng lượng mặt trời vào lưới điện và sự cố xảy ra tại các vị trí quan trọng trong hệ thống điện Tuy nhiên, ổn định động đã được cải thiện khi

sự cố cố xảy ra tại các vị trí ít quan trọng hơn và do đó, trạng thái gần sự cố đối với hệ thống điện năng lượng mặt trời là một yếu tố quyết định quan trọng của

đề cập đến việc sử dụng biến tần của nhà máy điện năng lượng mặt trời như là một thiết bị bù tĩnh (Static Compensator, STATCOM) để điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối giúp cải thiện sự ổn định trong cả thời gian ban ngày và ban đêm Thông thường, nhà máy điện năng lượng mặt trời phát công suất tác dụng suốt thời gian ban ngày và không hoạt động vào ban đêm Hệ thống điện năng lượng mặt trời được đề xuất hoạt động như một STATCOM mà còn có thể được gọi

là PV-STATCOM Đề xuất này sử dụng tổng công suất của bộ nghịch lưu suốt thời gian ban đêm và duy trì sau thời gian phát công suất tác dụng của ban ngày tương ứng với các chế độ vận hành khác nhau của STATCOM Việc mô hình

và phân tích được thực hiện trên hệ thống một máy có điểm giữa được kết nối PV-STATCOM

C Shiva, R Bhavani và N R Prabha đã nghiên cứu cải thiện chất lượng điện năng cho một hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới, "Power quality improvement in a grid integrated solar PV system" [11] Để khắc phục các ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng của hệ thống điện khi có nguồn điện năng lượng mặt trời được kết nối vào, bộ lọc công suất tác dụng shunt (Shunt Active Power Filter, SAPF) với bộ điều khiển PI được đề xuất nghiên cứu để nâng cao

chất lượng điện năng của hệ thống điện có nguồn điện năng lượng mặt trời được tích hợp

Các tác giả S Devassy và B Singh đã đề cập đến việc giảm thiểu các vấn đề về chất lượng điện năng phía lưới và phía tải bằng việc sử dụng một bộ UPQC (United P-Q Controller) tích hợp vào hệ thống điện năng lượng mặt trời một pha mà được viết tắt là PV-UPQC trong nghiên cứu, “Enhancement of power quality using solar PV integrated UPQC” [12] Hệ thống điện năng lượng mặt trời được nối với liên kết DC của UPQC thông bộ biến đổi DC-DC khuếch đại đơn giản Các bộ điều khiển nguồn áp song song (Shunt Voltage Source Controller, VSC) của UPQC bù cho các vấn đề chất lượng điện năng của như sóng hài dòng điện tải và công suất phản kháng Ngoài ra, bộ điều khiển nguồn áp song song cũng cung cấp công suất tác dụng từ hệ thống điện năng lượng mặt trời vào lưới điện trong khi vẫn duy trì điện áp liên kết DC ở mức điện áp đặt trước Các bộ điều khiển nguồn áp nối tiếp bù điện áp phía lưới mà liên quan đến các bài toán chất lượng điện năng như sự trồi/sụt của điện áp và sóng hài sao cho các tải quan trọng nhận được nguồn điện áp hình sin chuẩn Bộ biến đổi khuếch đại DC/DC hỗ trợ cho hệ thống điện năng lượng mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại để hệ thống điện năng lượng mặt trời có thể phát được công suất tối đa Hiệu suất của bộ điều khiển PV-UPQC với sự kết hợp của các tải tuyến tính và phi tuyến được mô phỏng trong các điều kiện thay đổi của cường độ bức xạ và nhiễu điện áp của lưới điện

Các tác giả R N Tripathi và T Hanamoto đã thực hiện cải thiện chất lượng điện năng bằng việc sử dụng giải thuật Fryze Conductance của một hệ thống điện năng lượng mặt trời được nối lưới trong nghiên cứu, “Improvement

in power quality using Fryze conductance algorithm controlled grid connected solar PV system” [13] Trong nghiên cứu này, hệ thống điện năng lượng mặt trời được mô hình hóa và mô phỏng bằng việc sử dụng giải thuật cực tiểu dòng điện dựa trên điện dẫn Fryze Giải thuật điều khiển cho hệ thống điện năng lượng mặt trời được nối lưới được dựa trên việc phát thành phần thực trung bình của dòng điện bằng cách tính toán điện dẫn trung bình tức thời cho tải Bộ điều khiển PI được sử dụng để duy trì điện áp liên kết DC Trong nghiên cứu

này, giải thuật điều khiển được thực hiện để đưa dòng điện nguồn và cung cấp cho thành phần thực trung bình của tải với dòng điện bù tổn thất được phát ra bởi bộ điều khiển PI sao cho duy trì được điện áp liên kết DC Việc cải thiện chất lượng điện năng đã được thể hiện bằng việc sử dụng các kết quả mô phỏng tương ứng với các loại tải tuyến tính và phi tuyến Khái niệm của việc cực tiểu hóa cường độ dòng điện là để cung cấp công suất tác dụng trung bình cho các tải từ nguồn tương ứng với giá trị hiệu dụng cực tiểu của cường độ dòng điện

2.4 Kết luận

Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài gần đây cho thấy rằng đây là một vấn đề cần thiết được quan tâm nhiều hơn và phân tích nhiều hơn nhằm đảm bảo tính chặt chẽ và hợp lý cho xu hướng phát triển của ngành năng lượng điện tái tạo nói riêng và năng lượng điện nói chung

P1: Công suất đầu vào (kW);

P2: Công suất đầu ra (kW);

P: Tổn thất công suất trong quá trình truyền tải (kW);

: Hệ số sử dụng hữu ích của các phần tử bằng tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào;

: Suất tiêu hao công suất bằng tỷ số giữa công suất đầu vào và công suất đầu

ra

Các đặc tính năng lượng của các các phần tử bao gồm:

- Đặc tính tổn hao công suất:

- Đặc tính hiệu suất sử dụng:

)( 2

Từ (3.1) - (3.3), các mối quan hệ sau có thể được hình thành:

)1()

P P

tố khác Chẳng hạn như tổn hao công suất và hiệu suất sử dụng của máy biến

áp và đường dây tải điện không những phụ thuộc vào dòng điện, mà còn phụ thuộc vào cả công suất tác dụng và công suất phản kháng, điện áp của lưới điện

3.1.2 Cấu trúc của hệ thống điện

3.1.2.1 Cấu trúc nguồn điện

Cấu trúc của nguồn điện phải thỏa mãn các điều kiện sau:

a Cung cấp đủ năng lượng cho phụ tải với độ tin cậy cao;

b Cung cấp đủ công suất tác dụng và công suất phản kháng cho phụ tải trong mọi tình huống vận hành, với độ tin cậy cao;

c Thỏa mãn hai điều kiện trên với giá thành sản xuất điện năng nhỏ nhất

Nếu hệ thống chỉ có các nhà máy nhiệt điện thì vấn đề đảm bảo năng lượng không khó khăn vì hệ thống có thể chủ động cung cấp năng lượng sơ cấp cho các nhà máy nhiệt điện Tuy nhiên, nếu hệ thống bao gồm cả nhà máy thủy điện và nhiệt điện thì sẽ gặp khó khăn trong vấn đề đảm bảo năng lượng, vì năng lượng của thủy điện phụ thuộc vào lượng nước…

Vì vậy, để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện thì phải tăng công suất dự trữ tại các nhà máy nhiệt điện, làm cho giá thành hệ thống điện tăng cao Do đó

phải có tỉ lệ hợp lý về công suất giữa các nhà máy nhiệt điện và các nhà máy thủy điện

Việc đảm bảo công suất cung cấp điện cho các phụ tải phụ thuộc vào công suất dự trữ, độ linh hoạt của nguồn điện và cấu trúc của lưới điện Trong mọi chế độ vận hành, công suất khả phát của các tổ máy tham gia vận hành phải lớn hơn công suất đang phát hiện tại một lượng công suất nào đó gọi là dự trữ quay, để đáp ứng các sự cố và điều chỉnh tần số khi phụ tải tăng

Khoảng cách giữa công suất khả phát và công suất tối thiểu của hệ thống cùng với tốc độ nhận tải của các tổ máy tạo thành độ linh hoạt của nguồn điện Nếu nguồn điện có độ linh hoạt yếu thì sẽ không đáp ứng được công suất phụ tải trong các chế độ tối thiểu, không đáp ứng được chất lượng điều chỉnh tần số trong trường hợp sự cố hoặc là thời kỳ thời tiết không thuận lợi… Để có độ linh hoạt và hiệu quả kinh tế cao thì hệ thống điện phải có tỷ lệ hợp lý giữa các tổ máy nhiệt điện, và thủy điện Hệ thống điện có các tổ máy thủy điện và tuabin khí sẽ có độ linh hoạt rất cao vì các tổ máy này có tốc độ nhận tải cao và công suất tối thiểu nhỏ

Các nhà máy điện có nhiệm vụ điều chỉnh tần số thì các tổ máy phát phải được trang bị các bộ điều tốc và một số tổ máy nhất định phải có thêm bộ điều chỉnh tần số

Trong một số nhà máy có thể trang bị hệ thống tự động phân bố tối ưu công suất giữa các tổ máy

Để điều chỉnh điện áp thì các tổ máy phát điện phải được trang bị các bộ

tự động điều chỉnh kích từ, một số tổ máy ở vị trí đặc biệt được trang bị tự động điều chỉnh kích từ loại mạnh để đảm bảo ổn định tĩnh

3.1.2.2 Cấu trúc của lưới điện

Lưới hệ thống điện nối liền các nhà máy điện và các trạm biến áp khu vực thành hệ thống điện Lưới hệ thống được thiết kế thành các mạnh vòng và vận hành kín

Một phần quan trọng của lưới hệ thống là các đường dây dài siêu cao áp nối các hệ thống con với nhau để đảm bảo cung cấp điện cho các hệ thống khi

có sự cố, tuy nhiên khi đó cũng gặp phải các khó khăn về ổn định tĩnh, thừa công suất phản kháng trong chế độ non tải, tổn thất vầng quang…

Sự phân bố công suất trên lưới hệ thống phụ thuộc vào chế độ làm việc của các nguồn điện và cấu trúc hệ thống Khi thiết kế cần phải tránh tình trạng

có đường dây mang tải nặng, một số khác lại non tải

Để đảm bảo độ tin cậy thì cấu trúc lưới hệ thống phải là cấu trúc thừa (về công suất), cho phép bảo dưỡng định kỳ các đường dây mà không làm giảm thấp độ tin cậy

Để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp, tổn thất điện áp trên lưới điện phải ở mức cho phép, phải có hệ thống điều chỉnh điện áp ở nguồn điện, ở các máy biến áp, các nguồn phát và tiêu thụ công suất phản kháng (điều chỉnh vô cấp hoặc hữu cấp)

Lưới hệ thống thường là bộ phận thụ động trong lưới điện, tuy nhiên hiện nay các lưới điện hiện đại đã phát triển thành các lưới điện tích cực gọi là lưới điện linh hoạt (Flexible AC Transmission System, FACTS) Các thiết bị này cho phép điều khiển dòng công suất trên đường dây, giữ tải của các đường dây gần giới hạn nhiệt; nâng cao khả năng truyền tải công suất giữa các phần của hệ thống, do đó giảm được dự trữ chung của hệ thống; phòng ngừa được sự

cố lan truyền do hạn chế được sự cố, hỏng hóc của các phần tử; giảm được sự dao động điện áp có thể gây hại cho các phần tử và làm giảm giới hạn truyền tải điện

Các thiết bị sử dụng trong lưới điện linh hoạt bao gồm:

- Bộ giảm dao động điện áp gồm: bộ tụ nối tiếp với đường dây, nối song song với bộ tụ là bộ điện kháng và điện trở nối tiếp, dòng điện đi qua bộ này được điểu chỉnh bằng thyristor Bộ giảm dao động điện áp cho phép điều chỉnh trơn và tức thời tổng trở của đường dây, do đó có tác dụng hạn chế các dao động điện áp, có tác dụng tốt cho ổn định động của hệ thống điện

- Máy bù tĩnh SVC (Static Var Compensator) gồm: bộ tụ điện và kháng điện nối song song Một trong hai bộ này được điều chỉnh trơn từ cảm kháng đến dung kháng SVC cho phép điều chỉnh và giữ vững điện áp, hạn chế các dao động điện áp, có lợi cho ổn định của hệ thống điện

- Bộ bù tĩnh STATCOM (Static Synchronous Compensator) là: sự hoàn thiện của SVC STATCOM chỉ gồm các bộ tụ điện, điện áp ra của nó được điều khiển bằng bộ converter, sử dụng gate-turn off thyristor Nếu điện áp ra lớn hơn điện áp lưới thì nó phát công suất phản kháng, còn nếu thấp hơn thì nó tiêu thụ công suất phản kháng

- Bộ tụ bù dọc được điều khiển bằng thyristor gồm: nhiều bộ tụ điện nối tiếp nhau và nối tiếp với đường dây Mỗi bộ tụ điện được nối tắt qua kháng điện, dòng qua kháng điện được điều chỉnh bằng thyristor Bộ này cho phép điều chỉnh liên tục tổng trở của đường dây từ tổng trở tự nhiên đổ xuống, do đó cho phép điều chỉnh dòng công suất trong lưới điện Điện kháng của đường dây

có thể được điều khiển từ cảm tính đến dung tính do đó có tác dụng chế ngự các dao động Có tác dụng tốt cho ổn định động

- Bộ điều chỉnh pha bằng thyristor: thiết bị này cho phép điều chỉnh trơn góc pha của điện áp trước và sau máy biến áp điều chỉnh mắc nối tiếp trên đường dây Bộ này cho phép điều chỉnh dòng công suất tác dụng trên lưới

- Bộ hãm động (Dynamic Brake) là: bộ phụ tải điện trở được điều khiển bằng thyristor, nối gần máy phát điện, khi xảy ra dao động công suất lớn do ngắn mạch thì bộ này hoạt động làm hạn chế dao động công suất phát của máy

phát, nâng cao ổn định động

3.1.3 Các chế độ làm việc của hệ thống điện

Chế độ của hệ thống điện là một trạng thái nào đó của hệ thống điện được xác định bởi những trị số công suất, điện áp, dòng điện, tần số và các biến

số vật lý khác đặc trưng cho quá trình chuyển đổi, truyền tải và phân phối điện năng Những biến số ấy gọi là thông số của chế độ

Có 2 loại chế độ bao gồm: chế độ xác lập và chế độ quá độ

3.1.3.1 Chế độ xác lập

Chế độ xác lập là chế độ mà các thông số của hệ thống được đặc trưng bằng những thông số không đổi hoặc biến thiên rất nhỏ quanh giá trị trung

bình, hoặc thay đổi rất chậm và không đều đặn Có các loại chế độ xác lập mà bao gồm:

a Chế độ xác lập bình thường:

Chế độ xác lập bình thường là chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện Ở chế độ xác lập phải thỏa mãn các chỉ tiêu: chất lượng điện năng; độ tin cậy cung cấp điện; hiệu quả kinh tế (chi phí sản xuất điện năng nhỏ nhất); an toàn cho người và thiết bị

- Điều kiện cần để đảm bảo cân bằng công suất tác dụng: cân bằng giữa một bên là công suất cơ của tuabin máy phát và công suất điện của phụ tải; cân bằng công suất phản kháng là cân bằng điện từ giữa công suất phản kháng của các máy phát điện do dòng kích từ gây ra và công suất phản kháng của phụ tải

do yêu cầu của từ trường trong các thiết bị dùng điện và các máy biến áp…

- Điều kiện đủ để hệ thống phải phục hồi lại chế độ ban đầu sau khi có kích động nhỏ và phải phục hồi chế độ chế độ xác lập sau khi bị kích động lớn

- Công suất tác dụng được xem là cân bằng nếu tần số nằm trong giới hạn cho phép

+ Nếu f > fcpmax thì hệ thống thừa công suất tác dụng

+ Nếu f < fcpmin thì hệ thống thiếu công suất tác dụng

Cân bằng công suất tác dụng có tình chất toàn hệ thống Mọi sự mất cân bằng công suất tác dụng xảy ra ở bất cứ đâu trong hệ thống cũng tức khắc lan truyền khắp hệ thống Cân bằng cơ điện trên trục các máy phát điện là điểm cân bằng quan trọng nhất

- Cân bằng công suất phản kháng được thể hiện qua điện áp Vì điện áp tại mỗi nơi trong hệ thống điện là khác nhau cho nên cân bằng công suất phản kháng có tính chất cục bộ, khu vực Chỗ này có thể thừa công suất phản kháng nhưng chỗ khác lại thiếu Do vậy điều chỉnh điện áp trên hệ thống phải được thực hiện ở nhiều nơi khác nhau

Điều chỉnh chất lượng điện năng trong chế độ xác lập: tần số và điện áp

là hai thông số chế độ của điện năng Muốn điều chỉnh được tần số thì công suất tác dụng của nguồn điện phải lớn hơn công suất yêu cầu của phụ tải và phải có thiết bị để điều chỉnh được công suất tác dụng này Muốn điều chỉnh được điện áp thì nguồn điện phải dư thừa công suất phản kháng và công suất phản kháng này phải điều chỉnh được

Hai nguy cơ đối với chế độ xác lập: suy tần (tần số tự động suy giảm do các nhà máy nhiệt điện mất khả năng phát công suất, dẫn tới mất ổn định hệ thống); sụt áp (điện áp tự động sụt xuống do công suất phản kháng yêu cầu của phụ tải tăng đột ngột)

b Chế độ quá độ sự cố

Xảy ra khi có sự cố trong hệ thống điện, làm thay đổi tất cả các thông số của chế độ kể cả các điểm nút, các thông số khác xa so với các trị số quy định sẵn Yêu cầu là không gây hại cho hệ thống điện, và được loại trừ nhanh nhất

có thể

3.1.4 Chất lượng điện năng của hệ thống điện

Chất lượng điện năng bao gồm chất lượng tần số và chất lượng điện áp

f: Tần số của dòng điện xoay chiều (Hz);

n: Tốc độ quay của rotor (vòng/phút);

dm

dm

f

f f

Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép: ∆fmin ≤ ∆f ≤ ∆fmax có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép: fmin ≤ f ≤ fmax

- Độ dao động tần số: đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1% Độ dao động tần số không được lớn hơn giá trị cho phép

3.1.4.2 Chất lượng điện áp

Chất lượng điện áp được đánh giá bởi 4 chỉ tiêu

a Độ lệch điện áp so với điện áp định mức của lưới điện

- Độ lệch điện áp tuyệt đối:

V- và V+: Giới hạn trên và giới hạn dưới của độ lệch điện áp

Thông thường, ở chế độ bình thường, độ lệch điện áp tương đối là ± 5%

và ở chế độ sau sự cố, độ lệch điện áp tương đối là ±10% Khi điện áp quá cao làm tuổi thọ thiết bị dùng điện giảm, nhất là thiết bị chiếu sáng, còn khi điện áp quá thấp làm cho các thiết bị dùng điện bị giảm công suất, giảm tuổi thọ, giảm năng suất công tác, làm hỏng sản phẩm

b Độ dao động điện áp

Sự biến thiên nhanh của điện áp được xác định theo biểu thức:

100

min max

Tốc độ biến thiên từ Umin đến Umax không nhỏ hơn 1%/s Dao động điện

áp gây ra dao động ánh sáng, làm hại mắt người lao động, gây nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và các thiết bị điện tử…

Độ dao động điện áp được hạn chế trong miền cho phép, theo tiêu chuẩn Việt Nam quy định dao động điện áp trên cực các thiết bị chiếu sáng như sau:

10

t1

n: Số dao động trong một giờ;

∆t: Thời gian trung bình giữa hai dao động (phút)

Nếu trong một giờ có một dao động thì biên độ được phép là 7% Đối với các thiết bị có sự biến đổi đột ngột công suất trong vận hành chỉ cho phép

∆U đến 1,5% Còn đối với các phụ tải khác không được chuẩn hóa nhưng nếu

∆U lớn hơn 15% thì sẽ dẫn đến hoạt động sai của khởi động từ và các thiết bị điều khiển

c Độ không đối xứng

Phụ tải các pha không đối xứng dẫn đến điện áp các pha không đối xứng, sự không đối xứng này được đặc trưng bởi thành phần thứ tự nghịch U2 của điện áp Điện áp không đối xứng này làm giảm khả năng tải của lưới điện

và tăng tổn thất điện năng

d Độ không hình sin

Các thiết bị dùng điện có đặc tính phi tuyến như máy biến áp không tải,

bộ chỉnh lưu, bộ nghịch lưu, thyristor… làm biến dạng đường đồ thị điện áp, khiến nó không còn là hình sin nữa và xuất hiện các sóng hài bậc cao Uj và Ij Các sóng hài bậc cao này làm giảm điện áp trên bóng đèn, thiết bị sinh nhiệt, làm tăng thêm tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện môi trong cách điện, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị dùng điện, giảm chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện, gây nhiễu máy thu thanh…

3.1.5 Ổn định trong hệ thống điện

Từ khái niệm về các chế độ của hệ thống điện, có thể thấy rằng điều kiện tồn tại chế độ xác lập gắn liền với sự tồn tại của điểm cân bằng công suất Bởi chỉ khi đó thông số hệ thống mới được giữ không đổi Tuy nhiên, trạng thái cân bằng chỉ là điều kiện cần của chế độ xác lập, thực tế luôn tồn tại những kích động ngẫu nhiên làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng, mặc dù rất nhỏ Chẳng hạn như sự thay đổi thường xuyên của công suất phụ tải, trong điều kiện này hệ thống vẫn phải duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số nghĩa là phải đảm bảo tồn tại chế độ xác lập Khả năng này phụ thuộc vào một tính chất riêng của hệ thống mà được gọi là tính ổn định của hệ thống điện

3.1.5.1 Ổn định tĩnh

Để có khái niệm rõ hơn về ổn định tĩnh, xét trạng thái cân bằng công suất của máy phát Hình 3.1 biểu diễn đặc tính công suất điện từ của máy phát

và đặc tính công suất cơ của tuabin cho một hệ thống điện đơn giản

Công suất tuabin được coi là không đổi Khi ấy, công suất máy phát là

như sau:

  sin msin

H

P X

)/sin(

1800