Nghiên cứu chất lượng điện năng khi tích hợp nguồn năng lượng mặt trời công suất lớn vào lưới điện khu vực tỉnh ĐắkLắk

Với công suất điện mặt trời lớn không tránh khỏi những ảnh hưởng dao động tần số, điện áp của khu vực lưới điện đấu nối khi bị gián đoạn bởi bức xạ mặt trời.. Ngoài ra, khi sự cố ngắn mạ

KHU VỰC TỈNH ĐẮK LẮK

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60 52 02 02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐINH THÀNH VIỆT

Phản biện 1: TS ĐOÀN ANH TUẤN

Phản biện 2: TS THẠCH LỄ KHIÊM

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 7 tháng 10 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây nền kinh tế nước ta đã chuyển mình

và có tốc độ tăng trưởng tương đối cao Chính điều này đã thúc đẩy các ngành công nghiệp mũi nhọn và là tiền đề cho nền kinh tế phải liên tục thay đổi công nghệ và kĩ thuật để theo kịp tốc độ tăng trưởng mạnh đó Trong đó ngành công nghiệp năng lượng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng đã và đang được quan tâm đầu tư phát triển Tình hình năng lượng điện tại Việt Nam theo dự báo của viện năng lượng quốc gia, nhu cầu điện tiêu dùng của Việt Nam tăng hơn 10%/năm cho đến năm 2020 Hiện tại Việt Nam phải nhập khẩu điện

từ Trung Quốc, Lào, bây giờ Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã

và đang có đề án triển khai nhập khẩu điện từ Lào về với lượng công sức cực lớn (2020 – 1000MW, 2025 – 3000MW) Ngoài ra, để cơ bản đáp ứng được nhu cầu về tiêu dùng năng lượng nội bộ, Việt Nam

đã có kế hoạch xây dựng thêm 32 nhà máy điện EVN có kế hoạch đưa vào hoạt động 16 nhà máy thuỷ điện, tăng công suất phát điện đối với nhà máy điện chạy than và đang lên kế hoạch phát triển các nguồn năng lượng tái tạo

Sau khi gia nhập WTO, nền kinh tế VN đứng trước những thử thách lớn Để vượt qua được những thử thách đó cần có một nền công nghiệp điện năng phát triển Xây dựng điện bằng năng lượng mặt trời là một giải pháp hiện thực, có hiệu quả cao, có thể nhanh chóng đáp ứng nhu cầu điện năng của cả nước Năng lượng mặt trời

là nguồn năng lượng vô tận để khai thác

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đồng hành cùng xu hướng toàn cầu về đầu tư năng lượng tái tạo, Việt Nam đã đưa ra quan điểm ưu tiên phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, tạo đột phát trong việc đảm bảo an ninh năng lượng Quốc gia, góp phần bảo tồn tài nguyên năng lượng, giảm thiểu tác động tiêu cực tới môi trường sản xuất điện Theo Quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tính đến năm 2025 cơ cấu nguồn điện sử dụng năng

lượng tái tạo rất lớn chiếm đến 12,5%, trong đó điện mặt trời chiếm tỷ trọng cao nhất Chỉ tính riêng tỉnh ĐắkLắk, theo quy hoạch tỉnh, nguồn điện mặt trời khu vực huyện EaSup lên đến gần 1400MW Với công suất điện mặt trời lớn không tránh khỏi những ảnh hưởng dao động tần số, điện áp của khu vực lưới điện đấu nối khi bị gián đoạn bởi bức xạ mặt trời Ngoài ra, khi sự cố ngắn mạch trên lưới điện có đấu nối với nguồn điện mặt trời công suất lớn cũng gây ra những vấn

đề ảnh hưởng đến tần số, ổn định hệ thống điện phải quan tâm Đây là một vấn đề phức tạp hết sức khó khăn trong quá trình vận hành hệ thống điện có tỷ trọng điện mặt trời cao

Với lí do ở trên cho thấy việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu

chất lượng điện năng khi tích hợp nguồn năng lượng mặt trời công suất lớn vào lưới điện khu vực tỉnh ĐắkLắk’’ là một yêu cầu

mang tính cấp thiết trong bối cảnh nguồn tỷ trọng nguồn mặt trời chiếm càng nhiều

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là đánh giá phân tích tác động của điện mặt trời đến lưới điện khu vực tỉnh Đắk Lắk trong việc vận hành đến năm 2025 Từ đó đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng vận hành hiệu quả cho lưới điện

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống điện của khu vực tỉnh ĐắkLắk khi đấu nhà máy điện mặt trời công suất lớn năm 2025

b Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu các tác động của nhà máy điện mặt trời công suất lớn tỉnh Đắk Lắk đến tần số, điện áp của lưới điện khu vực tỉnh và Việt Nam Lựa chọn các thiết bị công nghệ để nâng cao độ tin cậy lưới điện

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập và nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến vấn đề chất lượng điện năng,

độ ổn định điện áp, tần số nguyên tắc làm việc điện mặt trời nối lưới quy mô lớn

Phương pháp xử lý thông tin: thu thập và xử lý thông tin định lượng về lưới điện truyền tải có tích hợp điện mặt trời công suất lớn đến 2025 của tỉnh Đắk Lắk

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, mô phỏng bằng phần mềm, so sánh và phân tích để đánh giá ảnh hưởng của việc tích hợp điện mặt trời có công suất lớn vào lưới điện và lựa chọn thiết bị để nâng cao hơn sự ổn định chất lượng điện năng (tần số điện áp)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Qua kết quả của luận văn này cho thấy lưới điện có tích hợp điện mặt trời với quy mô lớn, khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi

sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới và giải pháp được đề cập đến trong luận văn này cơ bản đã giải quyết được vấn đề nêu trên

Đề tài có thể được dùng để tham khảo trong việc thiết kế, vận hành nhà máy điện mặt trời nối lưới có công suất lớn

6 Cấu trúc của luận văn

Nội dung luận văn gồm các phần chính sau:

Chương 1: Nguyên lý làm việc và công nghệ nhà máy điện mặt trời

Chương 2: Mô hình hóa các thiết bị và quy định đấu nối nhà máy điện mặt trời

Chương 3: Nghiên cứu chất lượng điện năng khi tích hợp nguồn năng lượng mặt trời công suất lớn vào lưới điện khu vực tỉnh đắk lắk

Kết luận và kiến nghị

1 CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN

MẶT TRỜI 1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC PIN QUANG ĐIỆN

Cấu tạo tế bào quang điện

1.1.1.

Vật liệu để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau

Nguyên lý làm việc của tế bào quang điện

1.1.2.

Hình 1.2 Nguyên lý làm việc Pin Quang điện

Mạch điện (mô hình) tương đương pin quang điện

1.1.3.

1.2 CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI

Tổng quan về nhà máy điện mặt trời quang điện nối lưới 1.2.1.

- Bộ nghịch lưu (Inverter): là thiết bị điện tử công suất có chức năng chuyển đổi dòng điện 1 chiều DC thành dòng điện xoay chiều AC phù hợp để kết nối với lưới điện

- Hệ thống giá đỡ (Mounting system): hệ thống cho phép các tấm pin quang điện được gắn cố định đảm bảo trên mặt đất Với giải

pháp lắp đặt các tấm pin trên mặt nước thì hệ thống giá đỡ được thay thế bằng hệ thống phao nổi

Hình 1.9 Sơ đồ tổng quan về nhà máy điện mặt trời nối luới

- Máy biến áp nâng áp: nhằm mục đích nâng điện áp đầu ra từ inverter lên cấp điện áp cao hơn phù hợp để đấu nối với hệ thống điện

Công nghệ của nhà máy điện mặt trời

Ngoài ra, ở chương này đặc biệt trình bày về công nghệ của 1 nhà máy pin quang điện đấu nối lên lưới Tác giả thể hiện rất chi tiết cũng như phân loại rất rõ từng thiết bị trong nhà máy Phân loại các

loại pin quang điện như theo vật liệu CdTe và CIGS/CIS hay dựa theo kết cấu liên kết của vật liệu bán dẫn như đơn tinh thể (mono-crystalline), đa tinh thể (poly-crystalline hoặc multi-crystalline) hoặc

vô định hình (amorphous) Cấu trúc các module của Inverter (thiết bị điện tử công suất) theo công suất biến đổi, trình bày các chức năng của inverter như kết nối lưới trực tiếp, giám sát hoạt động của mảng pin mặt trời để thu được công suất tối đa nhờ thuật toán dò tìm công suất cực đại (MPPT), hiệu suất làm việc của các tấm pin quang điện, inverter, máy biến thế

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA CÁC THIẾT BỊ VÀ QUY ĐỊNH ĐẤU NỐI

NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 2.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PSS/E

Phần mềm PSS/E (Power System Simulator for Engineering) là phần mềm mô phỏng hệ thống điện của công ty Power Technologies Inc thuộc Siemens Nó sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại nhất để:

- Tính toán trào lưu công suất;

- …

- Mô phỏng động: Chương trình PSS/E cho phép tính toán mô phỏng các chế độ làm việc của hệ thống khi có các dao động lớn xảy ra, nhằm khắc phục nguy cơ tan rã hệ thống điện khi mất ổn định

Chương trình PSS/E là chương trình mô phỏng hệ thống điện trên máy tính nhằm mục đích tính toán nghiên cứu phục vụ vận hành cũng như quy hoạch hệ thống điện

Các bài toán mà phần mềm PSS/E có thể giải quyết

2.1.1.

Một số khả năng đặc biệt của chương trình PSS/E

2.1.2.

2.2 MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ

Mô hình của Photovoltaic Arrays (PV)

2.2.1.

Pin mặt trời (viết tắt là PV cell) có đặc tính V-I đặc biệt, chịu

ảnh hưởng khi thay đổi trở kháng tải, cường độ bức xạ và nhiệt độ Khi cường độ bức xạ tăng dòng điện ngắn mạch của PV cell tăng theo song điện áp hở mạch thay đổi không lớn lắm Các PV cell có công suất cực đại khi nó vận hành tại điểm nối giữa đặc tính nguồn dòng và nguồn áp Thuật toán chọn điểm làm việc cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) đảm bảo được cell luôn luôn vận hành ở điểm có công suất cực đại

Hình 2.1 Mô hình thiết bị PV

PV cell là mô hình nguồn dòng, Iph phát ra dòng điện do hiệu ứng quang điện và dòng điện bão hòa ngược I0 là dòng qua diode Trong mô hình còn có Rs là điện trở nối tiếp chính là điện trở của cell, điện trở dây dẫn, điện trở bề mặt; Rsh là điện trở song song tạo

ra hiện tượng dòng rò theo rìa của PV cell và dòng rò dọc theo vết nứt nhỏ và các hạt Mối quan hệ vật lý giữa dòng điện và điện áp được thể hiện theo công thức bên dưới [4]:

𝐼 = 𝐼𝑝ℎ− 𝐼0(𝑒𝑞(𝑉+𝑅𝑛𝐾𝑇𝑠𝐼)− 1) −𝑉 + 𝑅𝑠𝐼

𝑅𝑠ℎ (2.1) Trong đó : I dòng điện ra của cell; V là điện áp của cell; Iphlà dòng điện phát ra từ hiện tượng quang điện; I0là dòng điện bão hòa của diode; q là điện tích của electron; k là hằng số Boltzman; T là nhiệt độ môi trường, n là hệ số lý tưởng

2.2.1.1 Thuật toàn chọn điểm làm việc cực đại (Maximun Power Point Tracking - MPPT)

Mục tiêu của việc dùng MPPT trong nhà máy PV là để tối đa

hóa công suất đầu ra của pin PV và nâng cao hiệu suất làm việc của việc biến đổi năng lượng Luận văn sử dụng thuật toán INC để mô phỏng Nguyên lý làm việc của thuật toán là so sánh giá trị điện dẫn

tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng INC (dI/dV) Tại điểm công suất cực đại INC (dI/dV) bằng với điện dẫn tức thời (I/V) nghĩa

rằng độ dốc của đường cong công suất là bằng zero Khi điện dẫn gia tăng bé hơn hoặc lớn hơn điện dẫn tức thời thì điện áp đầu ra của PV hoặc tăng lên hoặc giảm xuống

2.2.1.2 Tích hợp mô hình mô hình động PV trong PSS/E

Một mô hình động cho PV với thuật toán MPPT đã được xây dựng Trong PSS/E, mô hình PV là mô hình nhà máy gió loại WT4 với kết hợp thêm mô hình tuyến tính đường cong đầu ra PV PANEL

và model điều khiển như bộ converter PVGU, điều khiển điện PVEU Thông số cường độ bức xạ mặt trời là đầu vào cho mô hình PANEL [8]

Hình 2.2 Mô hình điều khiển điện mặt trời [8]

Mô hình Battery Energy Storage System – BESS

2.2.2.

Trong vài trường hợp do cường độ bức xạ thay đổi, ngắn mạch trên lưới PV…, dẫn dao động công suất ảnh hưởng đến tần số gây mất cần bằng hệ thống buộc phải xa thải các phụ tải liên quan, tạo

ra sự mất ổn định hệ thống điện Thiết bị BESS có thể dùng để nâng cao ổn định hệ thống khi cần thiết, vì nó có thể hấp thụ công suất từ lưới hoặc đẩy công suất lên hệ thống trong trường hợp khẩn cấp Nếu công suất thiết bị BESS là đủ để hấp thụ hoặc đẩy toàn bộ công suất cần thiết của hệ thống trong trường hợp khẩn cấp sẽ giảm thiểu sự mất ổn định về tần số

Hình 2.3 Mô hình thiết bị BESS

2.2.2.1 Mô hình trào lưu công suất thiết bị BESS

2.2.2.2 Mô hình động thiết bị BESS

Hình 2.4 Mô hình thiết bị Dynamic BESS

Mô hình thiết bị STATCOM

2.2.3.

Mô hình hàm truyền điều khiển STATCOM được thể hiện bên dưới:

Hình 2.11 Sơ đồ khối hàm truyền của STATCOM

Trong sơ đồ hàm truyền ở hình 2.11, các thông số gồm:

V: điện áp tại thanh cái cần điều khiển

VT : điện áp tại STATCOM (tại bộ nghịch lưu)

Limit Max = |VT| + XTICMAX : Giới hạn trên cực đại

Limit Min = |VT| - XTILMAX : Giới hạn dưới cực tiểu

2.3 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐẤU NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN

Yêu cầu kỹ thuật đấu nối nhà máy điện mặt trời theo 2.3.1.

truyền tải điện Quốc gia Việt Nam

Trong điều kiện làm việc bình thường hoặc khi có sự cố đơn lẻ xảy ra trong lưới điện truyền tải, điện áp tại thanh cái cho phép vận hành trên lưới điện truyền tải được quy định tại Bảng 2.1

Bảng 2.1 Điện áp tại thanh cái cho phép vận hành trên lưới điện

Bảng 2.2 Thời gian tối thiểu duy trì vận hành phát điện của, nhà máy điện mặt trời tương ứng với các dải tần số của hệ thống điện

Dải tần số của hệ thống điện Thời gian duy trì tối thiểu

mặt trời đến lưới điện truyền tải điện Việt Nam và tham khảo thêm của Ai Cập

PSS/E là một chương trình tính toán, phân tích hệ thống điện của Siemen Mỹ, một phần mềm tích hợp đầy đủ các module của hệ thống điện cho phép tính toán ngắn mạch, phân bố công suất, phân tích sóng hài, bù tối ưu công suất phản kháng, ổn định tĩnh và ổn định động,….Đặc biệt trong PSS/E có mô hình toán học giúp cho người dùng có thể tương tác tạo ra các mô hình thiết bị bằng các thuật toán Chương này, tác giả trình bày chi tiết về 1 số mô hóa thiết

bị như BESS, PV array, STATCOM để ứng dụng mô phỏng liên quan ở chương số 3

Quy định, yêu cầu kỹ thuật đấu nối nhà máy điện mặt trời vào

hệ thống tác giả tham khảo quy định tại thông tư 25 của Bộ công thương năm 2016 và của đơn vị truyền tải điện Quốc gia Ai Cập Trình bày về phạm vi cho phép vận hành của nhà máy điện mặt trời cũng như quy định về các điều kiện mà nhà máy điện mặt trời đáp ứng để đấu nối vào hệ thống điện

3 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO

LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC TỈNH ĐẮK LẮK

3.1 NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO HỆ THỐNG

Mô phỏng các vấn đề như sau:

- Vấn đề 1: Ảnh hưởng bởi mây che gây ảnh hưởng đến cường độ bức xạ

KrongBuk với thời gian tồn tại sự cố 0,2s

Ảnh hưởng bởi mây che giảm cường độ bức xạ

3.1.1.

Một đám mây che phủ lớn có thể thay đổi độ rọi năng lượng mặt trời và làm thay đổi lớn về công suất ra của Solar Buôn Đôn Trong đó xem xét thời gian đám mây che phủ duy trì trong thời gian đến 1 phút Với thời gian mây che lượng bức xạ mặt trời giảm mạnh

từ 1000W/m2

xuống 0 W/m2 và phục hồi trở lại sau đó

Hình 3.4 Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk

Hình 3.5 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk

Ảnh hưởng bởi trường hợp sự cố ngắn mạch trên lưới 3.1.2.

220kV

Xem xét trường hợp cắt loại trừ sự cố 3 pha trên 1 mạch đường dây 220kV KrongBuk - Chư Sê và 220kV Nha Trang - KrongBuk với thời gian tồn tại sự cố 0,2s Trường hợp này bức xạ mặt trời đang tính toán ở mức 1000 W/m2