Nghiên cứu ảnh hưởng điện mặt trời áp mái đối với công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối

Trong đó có các công nghệ liên tiếp được cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và tính ổn định của hệ thống pin mặt trời, dẫn đến giá NLMT có thể càng ngày càng giảm; [1] Theo Cơ quan Năng lư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN HIẾU HIỆP HƯNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI ĐỐI VỚI CÔNG TÁC QUẢN LÝ VÀ VẬN HÀNH

LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Chuyên ngành: Quản Lý Năng Lượng

Mã số: 60340406

LUẬN VĂN THẠC SĨ

BẾN TRE, tháng 10 năm 2020

Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Nhật Nam

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tich hội đồng: PGS TS Võ Ngọc Điều

2 Thư ký: TS Huỳnh Quốc Việt

3 Phản Biện 1: TS Nguyễn Phúc Khải

4 Phản Biện 2: TS Huỳnh Văn Vạn

5 Ủy viên: PGS TS Vũ Phan Tú

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

PGS TS Võ Ngọc Điều

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hiếu Hiệp Hưng MSHV:1770252 Ngày, tháng, năm sinh: 31/03/1988 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Quản lý Năng lượng Mã số : 60340406

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI ĐỐI

VỚI CÔNG TÁC QUẢN LÝ VÀ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Sử dụng phần mềm ETAP nghiên cứu đánh giá

mức độ ảnh hường của Hệ thống điện mặt trời áp mái trên lưới điện phân phối

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/8/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/9/2020

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Nguyễn Nhật Nam, TS Lê Thị Tịnh Minh

LỜI CẢM ƠN



Trường Đại học Bách Khoa TPHCM là nơi đào tạo nguồn nhân lực quan trọng trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước Thường xuyên cập nhật những kiến thức và công nghệ tiên tiến, đưa những thành tựu khoa học, kỹ thuật tiên tiến vào giảng dạy

Được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Nhật Nam và TS

Lê Thị Tịnh Minh, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng điện mặt trời

áp mái đối với công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối”

Để hoàn thành luận văn này, em xin chân thành cảm ơn thầy cô đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy, giúp em bổ sung được nhiều kiến thức chuyên môn trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và rèn luyện tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện luận văn một cách hoàn chỉnh nhất, tuy nhiên do hạn chế về kiến thức, khả năng và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự nhận xét, đánh giá và góp ý quý báu của quý thầy cô

Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe, lời cảm ơn sâu sắc đến thầy và

cô hướng dẫn là TS Nguyễn Nhật Nam và TS Lê Thị Tịnh Minh đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện luận văn cao học

Trân trọng cảm ơn!

BẾN TRE, tháng 10 năm 2020 Học viên thực hiện

Nguyễn Hiếu Hiệp Hưng

TÓM TẮT



Năng lượng tái tạo ngày càng phát triển mạnh mẽ và đang dần trở thành một nguồn năng lượng bền vững trong hệ thống điện của các Quốc gia Chính phủ Việt Nam cũng ngày càng quan tâm về loại hình năng lượng này, nhất là về năng lượng mặt trời với nhiều dự án đã được phê duyệt và quy hoạch trong tương lai

Hiện nay trên địa bàn Điện lực huyện Châu Thành - Công ty Điện lực Bến Tre quản lý có 81 khách hàng sử dụng hệ thống ĐMTAM với tổng công suất là 2971.55 kWp Đây là con số khá khiêm tốn so với số lượng khách hàng và tổng công suất trên các phát tuyến 22kV do Điện lực Châu Thành quản lý Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu phát triển Điện mặt trời áp mái sẽ tăng mạnh, đặt biệt trong các khu công nghiệp trên địa bàn Do đó, Công ty Điện lực Bến Tre cũng như Điện lực Châu Thành rất quan tâm đến các vấn đề xảy ra trên lưới điện đang vận hành ổn định khi có nhiều hệ thống ĐMTAM được đấu nối trực tiếp vào lưới điện trung thế 22kV (quá điện áp, tổn thất, công suất dư thừa….) và hướng xử lý các vấn đề nói trên nhằm cung cấp đến các khách hàng chất lượng điện năng tốt nhất

Luận văn này tập trung trình bày nghiên cứu về tác động của các Hệ thống điện mặt trời áp mái lên hệ thống điện phân phối khi hòa lưới (điện áp, tổn thất, sóng hài…) Các tác động tiêu cực cũng như lợi ích của hệ thống điện mặt trời áp mái đến lưới điện hiện hữu được thể hiện trên các kết quả mô phỏng

ABSTRACT

Renewable energy is growing strongly and is gradually becoming a sustainable energy source in the electricity system of the countries The Government of Vietnam is also increasingly interested in this type of energy, especially solar energy with many projects approved and planned in the future

At present, there are 81 customers using PV system in Chau Thanh district - Ben Tre Power Company with total capacity of 2971.55 kWp This is a relatively modest number compared to the number of customers and the total capacity on the 22kV lines managed by Chau Thanh Electricity However, in the future, the demand for rooftop solar PV development will increase strongly, especially in industrial zones in the area Therefore, Ben Tre Power Company as well as Chau Thanh Electricity are very interested in problems occurring on the power grid that are operating stably when many PV systems are connected directly to the 22kV medium voltage grid ( overvoltage, loss, excess capacity….) and the direction to handle the above problems to provide customers with the best power quality

This thesis focuses on research on the impact of rooftop solar power systems

on the distribution power system when connected to the grid (voltage, loss, harmonics ) The negative impacts as well as benefits of the rooftop solar power system on the existing grid are shown in the simulation results

LỜI CAM ĐOAN



Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng điện mặt trời áp mái đối với công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối” là công trình nghiên cứu cá nhân của tôi trong thời gian qua Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực,

có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sự không trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn /

BẾN TRE, ngày tháng 10 năm 2020

Học Viên

Nguyễn Hiếu Hiệp Hưng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1

1.1 T ÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI 1

1.2 T ÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở V IỆT N AM 2

1.3 C ẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 4

1.3.1 Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời 4

1.3.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện 6

1.3.3 Cấu tạo pin mặt trời 7

1.3.4 Bộ biến tần 10

1.3.5 B Ộ ĐIỀU KHIỂN SẠC 12

1.3.6 B Ộ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG (Ắ C Q UY ): 13

1.4 C ÁC MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ÁP MÁI 15

1.4.1 Hệ thống pin mặt trời độc lập 15

1.4.2 Hệ thống pin mặt trời nối lưới 16

1.4.3 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới có dự trữ 17

1.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 17

1.5.1 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời 18

1.5.2 Tổng kết chương 1 20

CHƯƠNG 2: 22

SÓNG HÀI VÀ CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI 22

2.1 SÓNG HÀI: 22

2.1.1 Khái niệm về sóng hài (Harmonics): 22

2.1.2 Các nguồn sinh ra Sóng hài (Harmonics): 23

2.2 PHÂN TÍCH MÉO DẠNG SÓNG HÀI: 25

2.2.1 Phương pháp phân tích theo miền tần số: 25

2.2.2 Chuỗi Fourier 25

2.2.3 Phép biến đổi Fourier 27

2.2.4 Biến đổi Fourier rời rạc 27

2.3 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN KHI PHÂN TÍCH SÓNG HÀI: 33

2.3.1 Giá trị hiệu dụng 33

2.3.2 Chỉ số méo dạng sóng điện áp THD 34

2.3.3 Chỉ số méo dạng sóng dòng điện TDD: 34

2.3.4 Phân loại sóng hài: 35

2.3.5 Các quy định về sóng hài 37

2.3.6 Các ảnh hưởng tiêu cực của Sóng hài (Harmonics) 39

2.4 CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC SÓNG HÀI 41

2.4.1.Bộ lọc cộng hưởng đơn (Single-Tuned Filter) 41

2.4.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến bộ lọc cộng hưởng đơn 43

2.5 KẾT LUẬN 45

CHƯƠNG 3 46

TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM ETAP 46

3.1 SƠ LƯỢC VỀ ETAP 46

3.2 GIAO DIỆN CỦA ETAP 47

3.3 CHI TIẾT CÁC PHẦN TỬ CHÍNH 49

3.3.1 Nguồn (hệ thống) 49

3.3.2 Máy Phát 55

3.3.3 Bus 59

3.3.4 Đường dây truyền tải 63

3.3.5 Máy biến áp 2 cuộn dây 68

3.3.6 Tải tập trung(Lumped Load) 76

3.3.7 Hệ thống pin mặt trời: 78

3.3.8 Công cụ Hamonic trong Etap: 79

CHƯƠNG 4 87

KHẢO SÁT MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ÁP MÁI CHO MỘT XUẤT TUYẾN TẠI ĐIỆN LỰC CHÂU THÀNH CÔNG TY ĐIỆN LỰC BẾN TRE 87

4.1 GIỚI THIỆU 87

4.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRÊN PHẦN MỀM ETAP: 88

4.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CHÍNH: 92

4.4 KẾT QUẢ KHẢO SÁT: 92

4.4.1 Điện áp trên đường dây trung thế: 92

4.4.2 Trào lưu công suất trên đường dây: 94

4.4.3 Tổn hao công suất: 99

4.4.4 Ảnh hưởng mức độ sóng hài lên đường dây khi lắp hệ thống điện mặt trời áp mái : 101

4.4.5 Xét đến trường hợp công suất hệ thống điện mặt trời phát ngược lên lưới trung thế 22kV: 104

CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT LUẬN VĂN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 108

5.1 T ỔNG KẾT LUẬN VĂN : 108

5.2 M ỤC TIÊU , HƯỚNG NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG TRONG TƯƠNG LAI : 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

PHỤ LỤC 111

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 132

PHẤN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 136

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

NLTT : năng lượng tái tạo

NLMT : năng lượng mặt trời

NLMTAM : năng lượng mặt trời áp mái

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

MẶT TRỜI

1.1 Tình hình năng lượng mặt trời trên thế giới

Trong các năm gần đây, các nguồn năng lượng hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu năng lượng không ngừng tăng; Ô nhiễm môi trường do khai thác

sử dụng năng lượng hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu Việc cắt giảm khí thải, sử dụng các nguồn năng lượng sạch - các nguồn NLTT đi cùng với vấn đề an ninh năng lượng, vì vậy trở nên cấp bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia Theo đó, các công nghệ năng lượng tái tạo (NLTT) ngày càng phát triển và hoàn thiện dần Trong đó

có các công nghệ liên tiếp được cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và tính ổn định của hệ thống pin mặt trời, dẫn đến giá NLMT có thể càng ngày càng giảm; [1] Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), năng lượng tái tạo chiếm đến 2/3 các nguồn năng lượng mới trên thế giới trong năm vừa rồi, trong đó đi đầu là năng lượng mặt trời.Cụ thể, công suất năng lượng mặt trời đã tăng 50% trong năm ngoái, phát triển nhanh nhất trong số các nguồn năng lượng mới Điều này khiến cho các nhà khoa học đánh giá đây là một kỷ nguyên mới của thế giới

IEA cũng dự đoán rằng năng lượng mặt trời sẽ thống trị tăng trưởng tương lai, với công suất toàn cầu trong 5 năm tới nhiều hơn so với công suất điện của cả

Ấn Độ và Nhật Bản hiện tại cộng lại

Đến năm 2022, công suất năng lượng mặt trời dự báo sẽ chiếm tới một nửa

so với công suất năng lượng từ than, đồng thời trở thành nguồn năng lượng lớn nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo

Thay đổi tích cực này được thúc đẩy nhờ vào việc giảm giá cũng như những chính sách hỗ trợ của chính phủ, đặc biệt là Trung Quốc Hiện nay, đất nước này chiếm tới phân nửa số tấm pin năng lượng mặt trời trên toàn thế giới

Theo đó, dự đoán về công suất năng lượng tái tạo vào năm 2022 đã tăng thêm so với báo cáo vào năm ngoái, do mức tăng thêm khoảng 1/3 ở Trung Quốc và

Ấn Độ

2

Ngoài ra, Ấn Độ cũng được dự đoán sẽ là một quả "bom" năng lượng mặt trời trong 5 năm tới, khi những nút thắt về cơ sở hạ tầng và thiết bị kĩ thuật được khắc phục Khi đó, công suất năng lượng tái tạo Ấn Độ được sẽ tăng gấp đôi, vượt qua cả mức tăng trưởng của liên minh châu Âu (EU)

1.2 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Trong khi các dự án nguồn thủy điện lớn đã được khai thác tối đa, các dự án nhiệt điện than phải đối mặt với áp lực về môi trường thì việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời, đang là hướng đi mới tại Việt Nam

Theo Hiệp hội Năng lượng sạch Việt Nam, nước ta là một trong những quốc gia có ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong biểu đồ bức xạ mặt trời thế giới

Tại các tỉnh Tây Nguyên và Nam Trung Bộ, số giờ nắng đạt từ 2.000 - 2.600 giờ/năm Bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2, chiếm khoảng 2.000-5.000 giờ/năm [1]

Ngày 19/8/2016, Văn phòng Chính phủ thông báo ý kiến kết luận của Thủ tướng Chính phủ tại cuộc họp Thường trực Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam Thủ tướng Chính phủ đồng ý với đề xuất của Bộ Công Thương về việc ban hành cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện mặt trời như biểu giá điện kèm các ưu đãi về thuế tại Việt nam [ 1]

Trong Quy hoạch điện VII (điều chỉnh) cũng nêu rõ yêu cầu đẩy nhanh tiến

độ các dự án nguồn điện sản xuất từ năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời bao gồm cả nguồn năng lượng tập trung lắp đặt trên mặt đất và các nguồn riêng

lẻ lắp đặt trên nóc nhà

Mục tiêu nhằm góp phần nâng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể như hiện nay lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW đến năm 2030

Như vậy, theo lộ trình này, từ nay đến năm 2020, mỗi năm chúng ta phải xây dựng các dự án điện mặt trời với công suất hơn 200 MW; từ năm 2020 - 2025, mỗi năm phải lắp đặt hơn 600 MW và 5 năm tiếp theo, mỗi năm phải lắp đặt 1.600 MW mới đạt kế hoạch đề ra

3

Hiện nay cả nước có khoảng 30 nhà đầu tư bắt đầu xúc tiến lập các dự án điện mặt trời có công suất từ 20 đến trên 300 MW tại một số địa phương, tập trung chủ yếu ở khu vực miền Trung Trong đó đáng chú ý là 2 dự án của Công ty Đầu tư

và Xây dựng Thiên Tân (tại tỉnh Quảng Ngãi và Ninh Thuận) và dự án Tuy Phong

do Công ty TNHH DooSung Vina (Hàn Quốc) đầu tư với quy mô 66 triệu USD, công suất 30 MW tại tỉnh Bình Thuận

Tập đoàn Điện lực Việt Nam cũng đang dự định triển khai nghiên cứu phát triển 2 dự án trên đất liền tại thủy điện Trị An (tỉnh Đồng Nai) và dự án nổi trên mặt nước tại hồ thủy điện Đa Mi (tỉnh Bình Thuận)

Ngoài ra EVN cũng vừa đề xuất với tỉnh Ninh Thuận về việc đầu tư dự án điện mặt trời với tổng vốn đầu tư khoảng 8.000 tỷ đồng, công suất 200 MW trên diện tích 400 ha tại xã Phước Thái, huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận Dự kiến

dự án này sẽ được tiến hành khởi công trong năm 2018

Tại hội thảo “Phát triển điện mặt trời tại Việt Nam - Cơ hội và thách thức”

do Hiệp hội Năng lượng sạch Việt Nam tổ chức tại Hà Nội, ý kiến của các chuyên gia như sau:

Thị trường điện mặt trời tại Việt Nam đang rất hấp dẫn Giá thiết bị điện mặt trời đang ngày càng rẻ (cách đây 5 năm, giá tấm pin điện mặt trời từ 3-4 USD/Wp thì đến nay chỉ còn khoảng 0,5 USD/Wp)

Ngoài việc đáp ứng về nguồn nhân lực, Nhà nước cũng cần sớm có bộ tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến điện mặt trời đầy đủ hơn (ví dụ như tiêu chuẩn tấm pin, inverter chuyển điện, giàn khung đỡ…) để giúp người tiêu dùng mua đúng sản phẩm chất lượng Chính phủ cũng nên sớm ban hành giá mua điện lên lưới từ nguồn năng lượng mặt trời

Cấp thẩm quyền trước hết cần xây dựng và công bố quy hoạch phát triển điện mặt trời Sau đó sớm công bố giá mua bán điện mặt trời hợp lý và cơ chế hòa lưới điện quốc gia; ban hành bộ tiêu chuẩn cho các thiết bị sử dụng và thực hiện thử nghiệm chất lượng để hạn chế lưu thông sản phẩm kém chất lượng, định hướng đúng cho người dân về hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời

4

1.3 Cấu tạo của hệ thống điện mặt trời

1.3.1 Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất

kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ ứng dụng năng lợng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay con ngừời đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không

vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối.Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.[2]

Hình 1.1: Hệ 2 mức năng lượng

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử ( hình 1.1 ) E1 < E2, bình thường điện

tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hv ( trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng ) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng: hv = E2 – E1 (1.1) Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng ( hình 1.2 ) Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá

5

trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện

tử ở vùng hoá trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử

tự do e- , để lại ở vùng hoá trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 1.2: Các vùng năng lượng

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:

Ev + hv → e- + h+ (1.2) Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv = hc/λ = Eg = Ec – Ev

Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+

Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây và gây ra dao động mạnh (photon)

6

Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon

hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo

ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.[2]

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.3.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết ɳ của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống 2 mức như sau:

0 0

0 0

( )( )

c g

 là năng lượng của photon

Eg= Eg0c J0( )   d là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện, là tổng năng lượng của các photon tới hệ Như vậy hiệu

7

suất ɳ là một hàm của Eg (hình 1.4) Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất ɳ = 0,44

Hình 1.4: Quan hệ ɳ(Eg)

1.3.3 Cấu tạo pin mặt trời

Hịên nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể.Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

• Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt tiền

do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

• Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

8

Hình 1.5 Pin mặt trời

• Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức

xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hoa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết,

để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hoá trị 5 Còn có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 ÷ 30 mA/cm2 Silicon đa tinh thể

Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si)

So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định

Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như Sunfit cadmi-đồng (CuCds), 8allium-arsenit (GaAs) Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo pin mặt trời từ Silicon đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 3.6 cuối cùng ta được module

9

Hình 1.6: Quá trình tạo module

Hình 1.7: Cấu tạo module.

10

Một mô-đun PV silicon tinh thể điển hình bao gồm nhiều tế bào PV riêng lẻ được kết nối, gần như luôn luôn trong chuỗi, để tăng công suất và điện áp trên đó từ một tế bào đơn lẻ

Một tế bào silicon riêng biệt có điện áp khoảng 0,6 V dưới 25 0C và chiếu sáng AM 1,5 Hầu hết các mô-đun chứa 60 tế bào PV trong chuỗi

Trong khi điện áp từ mô-đun PV được xác định bởi số lượng tế bào, dòng điện từ mô-đun phụ thuộc chủ yếu vào kích thước của các tế bào và hiệu quả của chúng

Tại AM 1.5 và dưới điều kiện nghiêng tối ưu, mật độ dòng điện từ một tế bào thương mại xấp xỉ từ 30 mA/cm2 đến 36 mA/cm2

Các tế bào silicon thường là 256 cm2, cho tổng dòng điện khoảng 10 A từ một mô-đun

Các hiệu ứng phá hủy của việc đốt nóng tại chỗ có thể được bảo vệ thông qua việc sử dụng một diode bypass Kích thước nhóm tối đa cho mỗi diode, mà không gây ra thiệt hại, là khoảng 20 tế bào / bỏ qua diode, cho các tế bào silicon Đối với một mô-đun tế bào 60 bình thường, 3 điốt bypass được sử dụng để đảm bảo các mô-đun sẽ không bị thiệt hại tại “điểm nóng”

Hình 1.8 Mô hình 1 module hoàn chỉnh

1.3.4 Bộ biến tần

Là bộ biến điện ngịch lưu, Inverter chuyển đổi dòng điện 12V DC từ quy thành dòng điện AC ( 110VAC,220VAC ) Được thiết kế với nhiều cấp công

ắc-11

suất từ 0,3kVA Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra: dạng sóng có hình sine, giả sine, sóng vuông, sóng bậc thang… Mục tiêu của việc này là để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện để cung cấp một dịch vụ cụ thể hoặc một mình hoặc kết hợp với một nguồn năng lượng khác

Biến tần được thiết kế để hoạt động ở điện áp danh nghĩa 12 V, 24 V hoặc 48

V với công suất cao hơn biến tần sử dụng điện áp cung cấp cao hơn

Một biến tần được thiết kế cho độc lập, hoạt động cung cấp pin thường không thể được sử dụng như lưới kết nối

Ngoài ra, các bộ biến tần này thường bao gồm các giao diện ghi nhật ký máy tính / dữ liệu để giám sát cơ bản / tinh vi và cũng cho việc vận hành hệ thống ( ví dụ: các ngưỡng thiết lập tùy thuộc vào quốc gia của ứng dụng )

Với 11as ơ đồ hệ thống cung cấp, ta có ba loại inverter:

o Off-grid : thực hiện 3 chức năng là:

 Chuyển dòng DC từ ac-quy thành AC cho tải

 Chuyển dòng điện AC từ máy phát dự phòng cho tải

12

 Sạc cho ac-quy từ máy phát dự phòng

o On-grid: thực hiện một chức năng là:

 Chuyển dòng DC từ pin mặt trời thành dòng AC chuẩn hòa vào

lưới điện

o Hybrid: thực hiện hai chức năng là:

 Nạp acquy để dự phòng khi mất điện trên lưới

 Chuyển dòng điện DC từ pin mặt trời thành dòng AC chuẩn để hòa

Các chức năng chính của bộ điều khiển sạc là:

Bảo vệ pin khỏi quá áp - thường là ngắt điện áp thấp , ngắt kết nối pin khỏi tải khi điện áp pin đạt đến mức cho biết nó đã đạt đến

Bảo vệ pin khỏi sạc quá mức bằng cách giới hạn điện áp sạc - điều này đặc biệt quan trọng với pin kín

Ngăn dòng điện chảy vào mảng PV vào ban đêm

- Bảo vệ bình ắc quy

- Bảo vệ tấm pin mặt trời

Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện thế cao đến nơi điện thế thấp Ban ngày trời nắng thì điện thế tấm pin cao hơn điện thế ắc quy nên dòng điện sẽ đi

từ pin xuống ắc quy Nhưng ban đêm khi không có ánh nắng, điện thế của pin sẽ thấp hơn điện thế của ắc quy và dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin và làm

13

nóng tấm pin, làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm pin Vậy nên

bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên

- Điều quan trọng nhất: giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời Có chức năng này thì thiết bi này mới có tên gọi là "điều khiển", nghĩa là thiết

bị này điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển đóng cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ không cho điện trào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM (Pulse - Width - Modulation) sử dụng mạch Mosfet đóng cắt liên tục để ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời Các bộ điều khiển sạc hiện đại sử dụng phương pháp điều rộng xung không hao phí, có bộ vi xử lý và thiết bị đo chọn được điểm có công suất cực đại MPP (Max Power Point) Pmax để sạc cho ắc quy Công suất cực đại minh họa trong hình dưới đây là diện tích hình chữ nhật màu xám

Hình 1.11: Giản đồ làm việc sử dụng điểm MPP cực đại

1.3.6 Bộ lưu trữ năng lượng (Ắc Quy):

Ắc quy (Battery) là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời

ít hoặc không còn ánh nắng, dạng khô, kín khí, không cần bảo dưỡng

14

Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin năng lượng mặt trời Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau

Nhiều loại pin sạc khác nhau phù hợp cho các ứng dụng PV hiện đang có sẵn Mặc dù một số công nghệ khá kỳ lạ hiện có sẵn, pin axít chì vẫn là phổ biến nhất cho lưu trữ tương đối kinh tế của một lượng lớn năng lượng điện và có thể sẽ vẫn như vậy trong vài năm tới Ngoài pin axít chì, pin Nickel Cadmium ( Ni-Cd ) được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu pin kín có khả năng hoạt động ở bất kỳ vị trí nào và vẫn yêu cầu mật độ năng lượng cao

Hình 1.12 Pin acquy

Pin sạc chủ yếu được phân loại thành hai loại:

• Pin bị ngập nước: Còn được gọi là các tế bào ướt vì chúng có chất điện phân lỏng cần được thường xuyên đổ nước khử ion / cất

• Pin kín: Các loại pin này có chất điện phân gel hoặc kết hợp một phương pháp tái tổ hợp hydro và oxy và không cần phải nạp thêm

Đặc tính khi sử dụng:

- Dòng điện xả càng nhỏ thì dung lượng ac-quy càng cao

- Nhiệt độ càng thấp thì dung lượng ac-quy càng giảm

- Suất xả điện C/20 ở 250C làm chuẩn cho hệ thống PV

Để tăng điện áp lưu trữ pin, trong bội số của 12V, pin được kết nối theo chuỗi Để tăng dung lượng pin được lưu trữ, các chuỗi dây dẫn của pin được kết nối song song với các chuỗi mô-đun PV để tăng dung lượng của những tấm PV

và thường có chất điện phân khô

Do chi phí của chúng (khoảng năm lần so với pin axít chì) Pin NiCd chủ yếu chỉ được sử dụng trong các ứng dụng PV nhỏ như hàng tiêu dùng

1.4 Các mô hình của hệ thống năng lượng mặt trời áp mái

1.4.1 Hệ thống pin mặt trời độc lập

Hình 1.13 Hệ thống điện mặt trời độc lập

- Ưu điểm: Rất phù hợp cho những khu vực khó khăn về lưới điện, chưa có

điện lưới quốc gia EVN

- Nhược điểm:

+ Chi phí đầu tư ban đầu cao (chủ yếu ở ắc quy)

+ Chi phí bảo dưỡng (bảo dưỡng ắc quy) lớn, tuổi thọ của hệ thống ắc qui không cao, chỉ khoảng 2-5 năm tùy loại ắc quy

16

+ Hiệu suất chuyển đổi điện thấp (chủ yếu do hệ thống ắc qui, giữa chu trình phóng và chu trình nạp bị tiêu hao rất lớn)

1.4.2 Hệ thống pin mặt trời nối lưới

Hình 1.14 Hệ thống điện mặt trời nối lưới

17

1.4.3 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới có dự trữ

Hình 1.15 Hệ thống điện mặt trời nối lưới có dữ trữ

- Ưu điểm:

+ Là giải pháp không thể thiếu đối với gia đình sử dụng hệ thống nhà thông minh (smart home) nhằm duy trì hệ thống điều khiển, camera an ninh, cửa cuốn, cổng điện…

+Đảm bảo cho các thiết bị dân dụng trong nhà như ; tủ lạnh, máy tính, máy bơm nước sinh hoạt, wifi, điều hòa chạy ngay cả khi mất điện lưới vào ban ngày

+Hệ thống hoạt động tự động, không ồn, không mùi, không phải bảo dưỡng như máy phát điện chạy xăng, dầu

- Nhược điểm:

+ Pin mặt trời đắt tiền

+ Chi phí thay mới, bảo trì cao

1.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Hệ thống điện mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như; các tấm pin mặt trời (máy phát điện), các tải tiêu thụ điện, các thiết bị tích trữ năng lượng và các thiết bị điều phối năng lượng,

Thiết kế một hệ thống điện mặt trời bao gồm nhiều công đoạn, từ việc lựa chọn sơ đồ khối, tính toán dung lượng dàn pin mặt trời, thiết kế các thiết bị điện tử

Trong thực tế có những hệ thống điện mặt trời nằm trong những tổ hợp hệ thống năng lượng, gồm hệ thống điện mặt trời, máy phát điện gió, máy phát diezen,… Trong hệ thống đó, điện năng từ hệ thống điện mặt trời được “hòa” vào lưới điện chung của tổ hợp hệ thống

1.5.1 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời

Để thiết kế, tính toán một hệ thống điện mặt trời trước hết cần một số thông số chính theo thứ tự sau đây:

a Vị trí lắp đặt hệ thống NLMTAM ( diện tích mái nhà tương ứng lắp được công suất bao nhiêu, phù hợp với công suất tải hay không )

b Các yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải, công suất của phụ tải

*Yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải

Đối với các phụ tải, cần phải biết các thông số sau:

- Gồm bao nhiêu thiết bị, các đặc trưng điện của mỗi thiết bị như công suất tiêu thụ, hiệu điện thế và tần số làm việc, hiệu suất của các thiết bị điện,

Các số liệu về bức xạ mặt trời và khí hậu, thời tiết được các trạm khí tượng ghi lại và xử lý trong các khoảng thời gian rất dài, hàng chục, có khi hàng trăm năm Vì các thông số này biến đổi rất phức tạp, nên với mục đích thiết kế đúng hệ thống điện mặt trời cần phải lấy số liệu ở các trạm khí tượng đã hoạt động trên mười năm Khi thiết kế hệ thống điện mặt trời, rõ ràng để cho hệ có thể cung cấp đủ năng lượng cho tải trong suốt cả năm, ta phải chọn giá trị cường độ tổng xạ của tháng thấp nhất trong năm làm cơ sở Tất nhiên khi đó, ở các tháng mùa hè năng lượng của hệ sẽ dư thừa và có thể gây lãng phí lớn nếu không dùng thêm các tải phụ Ta không thể dùng các bộ tích trữ năng lượng như acquy để tích trữ điện năng trong các tháng mùa hè để dùng trong các tháng mùa đông vì không kinh tế Để giải quyết vấn đề trên người ta có thể dùng thêm một nguồn điện dự phòng (ví dụ máy phát diezen, máy nổ) cấp điện thêm cho những tháng có cưởng độ bức xạ mặt trời thấp hoặc sử dụng công nghệ nguồn tổ hợp (hybrid system technology) Trong trường hợp này có thể chọn cường độ bức xạ trung bình trong năm để tính toán và do đó giảm được dung lượng dàn pin mặt trời Ngoài ra còn một thông số khác liên quan đến bức xạ mặt trời là số ngày không có nắng trung bình trong năm Nếu không tính đến thông số này, vào mùa mưa, có thể có một số ngày không có nắng, acquy sẽ bị kiệt và tải phải ngừng hoạt động Muốn cho tải có thể làm việc liên tục trong các ngày không có nắng cần phải tăng thêm dung lượng acquy dự trữ điện năng

Vị trí lắp đặt hệ thống điện mặt trời còn dùng để xác định góc nghiêng của dàn pin mặt trời sao cho khi đặt cố định hệ thống có thể nhận được tổng cường độ bức xạ lớn nhất

20

Hình 1.17 Góc ß của hệ thống Nếu gọi ß à góc nghiêng của dàn pin mặt trời so với mặt phẳng ngang (hình 1.16), thì thông thường ta chọn ß = φ ± 100 với φ là vĩ độ nơi lắp đặt Còn hướng, nếu ở bán cầu Nam thì quay về hướng Bắc, nếu ở bán cầu Bắc thì quay về hướng Nam Ngoài ra việc đặt nghiêng dàn pin còn có một ý nghĩa khác đó là khả năng tự làm sạch Khi có mưa, do mặt dàn pin nghiêng nên nước mưa sẽ tẩy rửa bụi bẩn bấm trên mặt pin, làm tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời của dàn pin

Ở các vị trí lắp đặt khác nhau, nhiệt độ môi trường cũng khác nhau và do đó nhiệt độ làm việc của pin mặt trời cũng khác nhau Thông thường nhiệt độ làm việc của pin mặt trời cao hơn nhiệt độ môi trường (20 ÷ 250C) và tùy thuộc vào tốc độ gió Vì khi nhiệt độ tăng, hiệu suất của module pin Mặt trời ɳM giảm và có thể biểu diễn bằng quan hệ sau:

ɳM = ɳM(Tc).{1+Pc .(T-Tc)} (1.5)

Ở đây:

 ɳM(T) là hiệu suất của module ở nhiệt độ T;

 ɳM (TC) là hiệu suất của module ở nhiệt độ ch

 PC là hệ số nhiệt độ của module Trong tính toán thực thường lấy giá trị gần đúng bằng PC = -0,005/0C

1.5.2 Tổng kết chương 1

Qua nghiên cứu về lý thuyết, chương này đã trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính làm việc, những yếu tố nào ảnh hưởng đến hoạt động của pin mặt trời và đồng thời cũng biết được các hệ thống pin mặt trời

21

Việt Nam có vị trí địa lí thuận lợi, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời và số giờ nắng tương đối cao, trung bình cường độ bức xạ mặt trời cả nước là 4.6 (kWh/m2.ngày) và số giờ nắng là 2000 (giờ/năm) nên rất có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời

Dựa vào nhu cầu và điều kiện kinh tế mà người tiêu dùng có thể lựa chọn mô hình hệ thống pin mặt trời phù hợp

Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống pin mặt trời nối lưới quá nhiều sẽ gây ảnh hưởng đến lưới điện, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào quy mô và vị trí lắp đặt hệ thống

22

CHƯƠNG 2:

SÓNG HÀI VÀ CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC ẢNH

HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI

Một trong những vấn đề về chất lượng điện năng đang được quan tâm, được nhiều nhà nghiên cứu xem xét và đánh giá đó là hiện tượng sóng hài do một số thiết

bị phi tuyến sinh ra, gây ra hiện tượng cộng hưởng sóng hài làm nhiễu loạn hệ thống và ảnh hưởng của nó tới chất lượng điện năng trên lưới điện

2.1 SÓNG HÀI:

2.1.1 Khái niệm về sóng hài (Harmonics):

Trong hệ thống điện xoay chiều, nguồn điện áp sinh ra bởi các nhà máy điện thường là có dạng hình sin với tần số 50Hz hoặc 60Hz Nếu các nguồn điện cung cấp cho các phụ tải tuyến tính thì dòng điện tải cũng tuyến tính, tức là dòng điện cũng là một dạng sóng thuần sin với tần số bằng tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz) Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn thì rất tốt Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng Khi đó dạng sóng không còn sin [3]

Hình 2.1 A- Dạng sóng sin, B- Dạng sóng hài

Trong thực tế tồn tại rất nhiều loại phụ tải phi tuyến, đó là loại phụ tải mà điện

áp và dòng điện có mối quan hệ không tuyến tính ví dụ như máy tính, lò hồ quang, các hệ thống lưu điện, Các phụ tải không tuyến tính sẽ gây méo dạng dòng điện của phụ tải khiến cho dòng điện không còn là hình sin Các dòng điện không thuần sin này, ngoài việc gây ra méo dạng dòng điện trên các hệ thống truyền tải và phân phối, còn ảnh hưởng tới điện áp tại các nút trong hệ thống điện thông qua điện áp

23

gáng trên đường dây truyền tải cũng là dạng không thuần sin, qua đó làm méo dạng điện áp Nói một cách khác, từ phụ tải phi tuyến, hiện tượng méo dạng sóng của dòng điện và điện áp sẽ bị lan truyền trong hệ thống điện

Hình 2.2 Mô hình hệ thống điện phi tuyến

Với phương pháp này, sóng hài (harmonics) được hiểu là các sóng tuần hoàn hình sin và có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz)

fh= h.f1 (2.1) Trong đó:

- fh là tần số của sóng hài

- f1 là tần số của sóng cơ bản (50Hz hoặc 60Hz)

- h là số nguyên dương (h=1, 2, 3 ) 2.1.2 Các nguồn sinh ra Sóng hài (Harmonics):

2.1.2.1 Các thiết bị có hiện tượng bão hòa mạch từ:

Các thiết bị này bao gồm các động cơ, máy điện, là các thiết bị có cấu trúc lõi thép Đặc tính làm việc phi tuyến kèm theo đó là sóng hài được gây ra bởi đặc tính

từ hóa không tuyến tính của lõi thép

Hình 2.3: Đường cong từ hóa máy biến áp

Phụ tải phi tuyến

24

2.1.2.2 Máy Biến Áp (MBA) _ Transformer:

Các MBA lực được chế tạo để hoạt động trong vùng tuyến tính của đường cong bão hòa mạch từ, nằm dưới điểm bắt đầu đi vào vùng bão hòa Nếu MBA vận hành tại điện áp nhỏ hơn hoặc bằng điện áp định mức, dòng điện từ hóa MBA có quan hệ tuyến tính so với điện áp Nếu MBA vận hành với điện áp lớn hơn điện áp định mức (ví dụ khi làm việc non tải), điểm làm việc sẽ đi dần vào vùng bão hòa của lõi thép (vùng phi tuyến) Khi đó dòng từ hóa MBA sẽ biến đổi không tuyến tính so với điện áp, phát sinh ra các sóng hài [3]

Hình 2.4 Hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến thế

Thực tế, để tiết kiệm vật liệu, điểm làm việc ứng với giá trị điện áp định mức của các MBA lực thường được chọn tương ứng với điểm có giá trị bằng khoảng 0,9 lần giá trị bắt đầu vào vùng bão hòa Do đó, MBA có thể vận hành tới điện áp bằng 110% điện áp định mức mới bắt đầu xảy ra hiện tượng bão hòa mạch từ

2.1.2.3 Động cơ Electric Motor (ĐC):

Tương tự như với máy biến áp, động cơ xoay chiều khi hoạt động tạo ra dòng điện hài Nếu như không sử dụng máy biến thế đấu Delta, một động cơ đồng bộ 1 pha sẽ sinh ra dòng điện hài bậc 3 có giá trị khoảng 10%, và một động cơ đồng bộ 3 pha sẽ sinh ra dòng điện hài bậc 3 có giá trị khoảng 30%

2.1.2.4 Các thiết bị có hiện tượng phóng tia lửa điện:

Các thiết bị thuộc nhóm này bao gồm lò hồ quang điện, đèn huỳnh quang, màn hình CRT, Các thiết bị này hoạt động dựa trên sự phóng điện

25

2.1.2.5 Các bộ thiết bị điện tử công suất:

Các thiết bị điện tử công suất thường được sử dụng trong hệ thống điện dựa vào sự đóng, cắt các van bán dẫn như diode, thyristor, triac, Các thiết bị này làm cho dòng điện, điện áp bị méo dạng và sinh ra sóng hài

Trên thực tế, các bộ biến đổi điện tử công suất ngày càng được sử dụng rộng rãi bao gồm: các bộ chỉnh lưu DC, các bộ nghịch lưu AC, các bộ biến tần điều chỉnh công suất động cơ AC, các bộ đóng cắt các thiết bị bù tĩnh như SVC, TCS,

2.2 PHÂN TÍCH MÉO DẠNG SÓNG HÀI:

Hiện tượng méo dạng sóng trong hệ thống điện có thể được phân tích bằng một trong các phương pháp sau: Phân tích theo miền tần số, phân tích theo miền thời gian, phương pháp thống kê Trong luận văn này em sẽ trình bày về phương pháp phân tích sóng hài theo miền tần số vì mang lại nhiều lợi ích không mất nhiều thời gian

2.2.1 Phương pháp phân tích theo miền tần số:

Dựa trên cơ sở toán học là phép khai triển Fourier để đưa ra kết quả là các giá trị độ lớn, góc pha của các thành phần sóng hài ứng với các tần số khác nhau xuất hiện trong một tín hiệu điện áp hoặc dòng điện biến thiên theo thời gian Các thành phần sóng hài được tính toán một cách riêng lẻ, sau đó sẽ được cộng lại theo phương pháp xếp chồng nhằm đưa ra dạng sóng tổng hợp của tín hiệu cần nghiên cứu Phương pháp này có khối lượng tính toán không nhiều, và là phép phân tích gần đúng, đơn giản cho kết quả tương đối chính xác.[3]

2.2.2 Chuỗi Fourier

Phương pháp phân tích sóng hài được dựa trên cơ sở là phép phân tích chuỗi Fourier Phép phân tích chuỗi Fourier được đưa ra với giả thiết mỗi một hàm số có chu kỳ (T) đều có thể phân tích được thành tổng của các hàm tuần hoàn sin hoặc cosin với các tần số khác nhau là các bội nguyên lần của tần số cơ bản (f = 1/T) Khai triển chuổi Fourier có dạng:[3]

Thành phần a0 là thành phần một chiều biểu diễn giá trị trung bình của tín hiệu x(t) Các thành phần ah và bh là các hệ số của khai triển chuỗi Fourier ứng với thành phần tuần hoàn bậc h

Giá trị biên độ của thành phần tuần hoàn bậc h là:

Ah = 2 2

h h

a  b (2.3) Góc lệch pha:

27

2.2.3 Phép biến đổi Fourier

Phép biến đổi Fourier được xây dựng trên cơ sở xem xét chuỗi Fourier cho một hàm phi chu kỳ bất kỳ với giả thiết T →∞ Khi đó các công thức (2.7) và (2.8)

được biến đổi như sau:[3]

Ah = 2 2

φh= tan-1 (Im(Xh)/Re(Xh)) (2.12)

Trong đó: Re(Xh) = x(t) cos(ht)dt



 là phần thực của Xh Im(Xh) = x(t)sin(ht)dt



 là phần ảo của Xh

2.2.4 Biến đổi Fourier rời rạc

Trên thực tế, giá trị tức thời của các tín hiệu cần phân tích được xác định một cách rời rạc Do vậy, công thức (2.4) được biến đổi thành tổng của các tín hiệu rời rạc gọi là phép khai triển Fourier rời rạc

Dải phổ của sóng hài bậc h của điện áp hoặc dòng điện

Trong đó: n là số thứ tự của lần lấy mẫu

xn (tn) là giá trị tức thời đo được tại thời điểm lấy mẫu tn của giá trị điện áp hoặc dòng điện

28

Tuy nhiên, số lần lấy mẫu của thiết bị chỉ được thực hiện hữu hạn Nếu việc phân tích theo biến đổi Fourier rời rạc được thực hiện trong khoảng thời gian T là 1 chu kỳ ứng với thành phần cơ bản của tín hiệu dòng điện hoặc điện áp với số lần lấy mẫu là N dải phổ ứng với tần số fh = ωh/(2π) sẽ được biểu diễn lại như sau:

TS = T/N là chu kỳ lấy mẫu của thiết bị

fS = 1/TS là tần số lấy mẫu của thiết bị

ωs= 2π/TS = 2πfS là tần số góc lấy mẫu của thiết bị

tn = n.Ts Khi đó công thức (5.14) sẽ trở thành:

Xh(ωh)=    

2

N 1 j hn N 1

hn N

29

Có thể thấy tần số của mỗi một thành phần hài bất kỳ fh phụ thuộc vào tần số lấy mẫu fS của thiết bị đo và độ dài của tín hiệu đầu vào Do đó nếu thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc với tín hiệu đầu vào có chiều dài T* = pT (với p nguyên >1),

ta có:

Số lần lấy mẫu: N* = T*/TS = (pT)/TS = p.N (2.17) Tần số góc của tín hiệu hài thu được bằng phép biến đổi Fourier rời rạc là:

Với h* là số nguyên dương

Từ công thức trên có thể thấy, nếu chọn thời gian phân tích bằng bội số nguyên lần p chu kỳ T của thành phần sóng cơ bản, phép phân tích Fourier rời rạc theo công thức (2.18) sẽ cho kết quả là các dải phổ của thành phần hài có tần số

Bằng cách thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc có thể phân tích được tín hiện điện áp hoặc dòng điện thành các dải phổ của các tần số bậc cao khác nhau Với việc chọn thời gian lấy mẫu khác nhau ta có được các kết quả phân tích sóng hài (harmonic) và liên sóng hài (interharmonic) như tóm tắt trong bảng dưới đây:

Bảng 2.2 Phân tích chuỗi Fourier rời rạc

Hạng mục Phân tích sóng hài Phân tích liên sóng hài

Phương pháp Biến đổi Fourier rời rạc

Số lần lấy mẫu N p.N (p nguyên >1)

Tần số các dải phổ h.f1 (sóng hài)

* 1

hf

p (liên sóng hài) Yêu cầu tính toán Ít Nhiều

Ứng dụng Thiết kế bộ lọc sóng

hài

Nghiên cứu trong một

số trường hợp cụ thể chẳng hạn như cần xác

30

Hạng mục Phân tích sóng hài Phân tích liên sóng hài

định tần số cộng hưởng

Để hiểu thêm về phép phân tích Fourier về tính toán sóng hài được trình bày

ví dụ điển hình như sau:

Xét sơ đồ mạng điện đơn giản mô tả một tải phi tuyến được cung cấp bởi nguồn điện từ hệ thống như hình vẽ sau:

Hình 2.5 Sơ đồ mạng điện đơn giản

Trong đó: E là nguồn áp tương đương của hệ thống điện, được giả thiết là

nguồn điện thuần sin có tần số cơ bản f= 50Hz

ZS = RS + jXS là tổng trở tương đương của hệ thống điện ứng với thành phần sóng cơ bản

Zt là tổng trở của tải phi tuyến

XC là dung kháng của thiết bị bù tại nút tải ứng với thành phần sóng bậc

cơ bản

Để tính toán sóng hài cho sơ đồ mạch điện đơn giản như trên, ta áp dụng nguyên tắc xếp chồng Theo nguyên tắc này, phụ tải phi tuyến sẽ được phân tích thành một chuỗi nguồn dòng điện Tương ứng với mỗi nguồn điện (nguồn dòng hoặc nguồn áp), ta sẽ có một sơ đồ để tính toán riêng biệt Do tính chất tương đồng của những nguồn sóng hài bậc cao, ta chỉ vẽ một hình minh họa

Khi đó, sơ đồ Hình 2.5 sẽ được biến đổi thành hai sơ đồ dưới đây:

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán với thành phần sóng cơ bản