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

Luận văn nghiên cứu các tác động của nhà máy điện mặt trời có công suất lớn khu vực tỉnh Đắk Lắk quy hoạch năm 2025 đối với hệ thống điện bởi các yếu tố như cường độ bức xạ mặt trời sự cố ngắn mạch khu vực lân cận nhà máy ứng dụng các thiết bị STATCOM và BESS để nâng cao ổn định hệ thống điện Luận văn thực hiện mô hình hóa thiết bị điện cấu trúc lưới thiết bị BESS STATCOM ứng dụng thuật toán lựa chọn điểm làm việc cực đại MPPT mô hình toán học của pin mặt trời mô hình thiết bị biến đổi thành điện một chiều mô hình động của inverter và hệ thống điều khiển Sự dao động của điện áp và tần số trong hệ thống được nghiên cứu bằng cách thay đổi cường độ bức xạ mặt trời mô phỏng sự cố 3 pha trên đường dây có đấu nối với nhà máy điện mặt trời Các kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống sẽ bị ảnh hưởng về tần số điện áp khi điện mặt trời có công suất lớn đấu nối vào lưới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN VIẾT THÀNH

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN VIẾT THÀNH

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

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

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi 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 được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận văn

TRẦN VIẾT THÀNH

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH

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

Học viên: Trần Viết Thành Chuyên nghành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.02.02 Khóa: 2016-2018 (K33.KTĐ - NT) Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

suất lớn khu vực tỉnh Đắk Lắk (quy hoạch năm 2025) đối với hệ thống điện bởi các yếu tố như cường độ bức xạ mặt trời, sự cố ngắn mạch khu vực lân cận nhà máy, ứng dụng các thiết bị STATCOM và BESS để nâng cao ổn định hệ thống điện Luận văn thực hiện mô hình hóa thiết bị điện, cấu trúc lưới, thiết bị BESS, STATCOM, ứng dụng thuật toán lựa chọn điểm làm việc cực đại MPPT, mô hình toán học của pin mặt trời, mô hình thiết bị biến đổi thành điện một chiều,

mô hình động của inverter và hệ thống điều khiển Sự dao động của điện áp và tần số trong hệ thống được nghiên cứu bằng cách thay đổi cường độ bức xạ mặt trời, mô phỏng sự cố 3 pha trên đường dây có đấu nối với nhà máy điện mặt trời Các kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống sẽ bị ảnh hưởng về tần số, điện áp khi điện mặt trời có công suất lớn đấu nối vào lưới

Từ khóa - Điện mặt trời; BESS; MPPT; cường độ bức xạ mặt trời, STATCOM, hệ

thống điện

RESEARCH ELECTRICITY QUALITY WHEN INTEGRATED LARGE – SCALE SOLAR ENERGY SOURCES IN THE REGION OF DAK LAK

PROVINCE

photovoltaic power plant in Dak Lak province (planning 2025) on power systems by factors such as the intensity of solar radiation, short circuit, the application of STATCOM and BESS devices to improve the stability of the power system The paper makes modeling equipments, grid structure, BESS and STATCOM equipments, Maximum power point tracking algorithm application - MPPT, photovoltaic cell mathematical model, dynamic model of inverter and control system Voltage and frequency oscillation in the power system were investigated by changing the intensity of solar radiation, simulating three-phase faults on the transmission line connected to the photovoltaic power plant The study results show that the system will be affected by the frequency and voltage when solar power is connected to the grid

power system

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 2

1 CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 4

1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC PIN QUANG ĐIỆN 4

Cấu tạo tế bào quang điện 4

1.1.1 Nguyên lý làm việc của tế bào quang điện 4

1.1.2 Mạch điện (mô hình) tương đương pin quang điện 5

1.1.3 1.2 CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 7

Tổng quan về nhà máy điện mặt trời quang điện nối lưới trực tiếp 8

1.2.1 Công nghệ của nhà máy điện mặt trời 9

1.2.2 1.2.2.1 Pin quang điện 9

1.2.2.2 Bộ nghịch lưu – Inverter 11

1.2.2.3 Hệ thống giá đỡ, phao đỡ 17

1.2.2.4 Máy biến áp trung thế 18

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 18

2 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA CÁC THIẾT BỊ VÀ QUY ĐỊNH ĐẤU NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 20

2.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PSS/E 20

Các bài toán mà phần mềm PSS/E có thể giải quyết 21

2.1.1 Một số khả năng đặc biệt của chương trình PSS/E 22

2.1.2 2.2 MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ 22

Mô hình của Photovoltaic Arrays (PV) 22

2.2.1 2.2.1.1 Thuật toàn chọn điểm làm việc cực đại 24

2.2.1.2 Tích hợp mô hình mô hình động PV trong PSS/E 24

Mô hình Battery Energy Storage System - BESS 25 2.2.2

2.2.2.1 Mô hình trào lưu công suất thiết bị BESS 26

2.2.2.2 Mô hình động thiết bị BESS 26

Mô hình thiết bị STATCOM 27

2.2.3 2.2.3.1 Các phương pháp điều khiển cơ bản STATCOM 29

2.2.3.2 Đặc tính V-A của STATCOM: 30

2.2.3.3 Mô hình hàm truyền điều khiển 31

2.3 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐẤU NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN 31

Yêu cầu kỹ thuật đấu nối nhà máy điện mặt trời theo truyền tải điện Quốc 2.3.1 gia Việt Nam 31

Yêu cầu kỹ thuật đấu nối nhà máy điện mặt trời theo truyền tải điện Quốc 2.3.2 gia Ai Cập 35

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 36

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 38

3.1 NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO HỆ THỐNG 38

Ảnh hưởng bởi mây che giảm cường độ bức xạ 39

3.1.1 Ảnh hưởng bởi trường hợp sự cố ngắn mạch trên lưới 220kV 42

3.1.2 3.1.2.1 Trường hợp cắt loại trừ sự cố 3 pha trên 1 mạch đường dây 220kV KrongBuk-Chư Sê 42

3.1.2.2 Trường hợp cắt loại trừ sự cố 3 pha trên 1 mạch đường dây 220kV KrongBuk-Nha Trang 46

3.2 GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 49

Ứng dụng thiết bị STATCOM 50

3.2.1 3.2.1.1 Ảnh hưởng bởi mây che giảm cường độ bức xạ 51

3.2.1.2 Ảnh hưởng bởi trường hợp sự cố ngắn mạch trên lưới 220kV 53

Ứng dụng thiết bị BESS 60

3.2.2 3.2.2.1 Ảnh hưởng bởi mây che giảm cường độ bức xạ 60

3.2.2.2 Ảnh hưởng bởi trường hợp sự cố ngắn mạch trên lưới 220kV 63

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN (BẢN SAO)

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH

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

Học viên: Trần Viết Thành Chuyên nghành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.02.02 Khóa: 2016-2018 (K33.KTĐ - NT) Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

suất lớn khu vực tỉnh Đắk Lắk (quy hoạch năm 2025) đối với hệ thống điện bởi các yếu tố như cường độ bức xạ mặt trời, sự cố ngắn mạch khu vực lân cận nhà máy, ứng dụng các thiết bị STATCOM và BESS để nâng cao ổn định hệ thống điện Luận văn thực hiện mô hình hóa thiết bị điện, cấu trúc lưới, thiết bị BESS, STATCOM, ứng dụng thuật toán lựa chọn điểm làm việc cực đại MPPT, mô hình toán học của pin mặt trời, mô hình thiết bị biến đổi thành điện một chiều, mô hình động của inverter và hệ thống điều khiển Sự dao động của điện áp và tần số trong

hệ thống được nghiên cứu bằng cách thay đổi cường độ bức xạ mặt trời, mô phỏng sự cố 3 pha trên đường dây có đấu nối với nhà máy điện mặt trời Các kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống sẽ bị ảnh hưởng về tần số, điện áp khi điện mặt trời có công suất lớn đấu nối vào lưới

Từ khóa - Điện mặt trời; BESS; MPPT; cường độ bức xạ mặt trời, STATCOM, hệ thống

điện

RESEARCH ELECTRICITY QUALITY WHEN INTEGRATED LARGE – SCALE SOLAR ENERGY SOURCES IN THE REGION OF DAK LAK

PROVINCE

photovoltaic power plant in Dak Lak province (planning 2025) on power systems

by factors such as the intensity of solar radiation, short circuit, the application of STATCOM and BESS devices to improve the stability of the power system The paper makes modeling equipments, grid structure, BESS and STATCOM equipments, Maximum power point tracking algorithm application - MPPT, photovoltaic cell mathematical model, dynamic model of inverter and control system Voltage and frequency oscillation in the power system were investigated

by changing the intensity of solar radiation, simulating three-phase faults on the transmission line connected to the photovoltaic power plant The study results show that the system will be affected by the frequency and voltage when solar power is connected to the grid

power system

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PV: Photovoltaic - Pin năng lượng mặt trời

PF%: PoWer Factor: Hệ số công suất cosphi

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers MPPT : Lựa chọn thời điểm làm việc cực đại

BESS: Battery Energy Storage System – Hệ thống lưu điện STATCOM: Máy bù đồng bộ tĩnh

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số

1.1 Đặc tính hiệu suất của các loại pin quang điện 11 1.2 Bảng thông số chính của một số loại inverter 14

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

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

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số

1.1 Cấu tạo Pin quang điện 4 1.2 Nguyên lý làm việc Pin Quang điện 4 1.3 Sự dịch chuyển các electron 5 1.4 Mạch điện tương đương đơn giản của Pin Mặt trời 5 1.5 a) Dòng điện ngắn mạch; b) Điện áp hở mạch Pin mặt trời 6 1.6 Đặc tính U-I của Pin Quang điện 6 1.7

Tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời CSP trên thế giới 7 1.8

Tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời PV trên thế giới 7 1.9 Sơ đồ tổng quan về nhà máy điện mặt trời nối luới 8 1.10 Phân loại các công nghệ pin quang điện 10

1.11 Thị phần các loại công nghệ pin quang điện trên thế giới năm

1.12

Cấu trúc PV đấu nối lưới a) Central Inverter b) String Inverter 12 1.13 Đường cong công suất của hai loại inverter với cách ghi công

1.14 Góc đặt tối ưu cho các tấm pin mặt trời 17

2.2 Mô hình điều khiển điện mặt trời [8] 25 2.3 Mô hình thiết bị BESS 25 2.4 Mô hình thiết bị Dynamic BESS 26 2.5 Nguyên lý máy điện đồng bộ 27 2.6 Mô hình STATCOM và sơ đồ tương đương 28 2.7 Mô hình nguyên lý làm việc của thiết bị STATCOM theo

phương pháp điều khiển dòng bù qua điện áp 29 2.8 Mô hình nguyên lý làm việc của thiết bị STATCOM theo

phương pháp điều khiển điện áp dc bộ nghịch lưu 29 2.9 Mô hình STATCOM và sơ đồ tương đương 30 2.10 Đặc tính V-A của bộ STATCOM 30 2.11 Sơ đồ khối hàm truyền của STATCOM mô hình hóa trong

2.12 Cấu trúc đấu nối nhà máy điện mặt trời đến lưới 35

Số

3.1 Sơ đồ đấu nối và trào lưu công suất hệ thống điện khu vực đấu

3.2 Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi trong 1 phút do tác động của

mây che tương ứng với công suất phát của Solar Buôn Đôn 40 3.3 Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ NMĐ

mặt trời đến TBA 220kV KrongBuk 40 3.4

Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk 41 3.5 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 41 3.6 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Solar Buôn Đôn 42 3.7 Đáp ứng công suất phát của nhà máy Solar Buôn Đôn 43 3.8 Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar

Buôn Đônđến TBA 220kV KrongBuk 43 3.9 Dao động điện áp tại Solar Buôn Đôn 44 3.10 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Krong Buk 44 3.11

Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk 45 3.12 Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 45 3.13 Dao động góc roto máy phát Serapok4 – H1 46 3.14a Đáp ứng công suất phát của Solar Buôn Đôn 46 3.15b Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar

Buôn Đônđến TBA 220kV KrongBuk 47 3.15 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 47

3.16 Độ lệch tần số - Dao động tần số tại thanh cái 220kV Krong

3.17 Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 48 3.18 Dao động góc roto máy phát Serapok4-H1 49 3.19 Sơ đồ đấu nối giải pháp nâng cao chất lượng điện năng 50 3.20 Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi trong 1 phút do tác động của

mây che tương ứng với công suất phát của Solar Buôn Đôn 51

3.21 Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ NMĐ

mặt trời đến TBA 220kV KrongBuk 51 3.22

Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk 52 3.23 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 52 3.24 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Solar Buôn Đôn 53 3.25 Đáp ứng công suất phát của Solar Buôn Đôn 54

Số

3.26 Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar

Buôn Đônđến TBA 220kV KrongBuk 54 3.27 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 55 3.28 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Solar Buôn Đôn 55 3.29

Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk 56 3.30 Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 56 3.31 Dao động góc roto máy phát Serapok4 – H1 57 3.32 Đáp ứng công suất phát của Solar Buôn Đôn 57 3.33 Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar

Buôn Đôn đến TBA 220kV KrongBuk 58 3.34 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 58

3.35 Độ lệch tần số - Dao động tần số tại thanh cái 220kV Krong

3.36 Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 59 3.37 Dao động góc roto máy phát Serapok4-H1 60 3.38 Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi trong 1 phút do tác động của

mây che tương ứng với công suất phát của Solar Buôn Đôn 60 3.39 Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ NMĐ

mặt trời đến TBA 220kV KrongBuk 61

3.40 Chênh lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV

3.41 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 62 3.42 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Solar Buôn Đôn 62 3.43 Đáp ứng công suất phản kháng của STATCOM và vận hành

Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk 64 3.48 Đáp ứng công suất của STATCOM và vận hành của BESS

3.49 Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 65 3.50 Đáp ứng công suất phát của Solar Buôn Đôn 66

Số

3.51 Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar

Buôn Đônđến TBA 220kV KrongBuk 66 3.52 Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 66 3.53 Dao động tần số tại thanh cái 220kV PV 67 3.54

Đáp ứng công suất phản kháng của STATCOM và BESS (nạp) 67 3.55 Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 67

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 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

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

Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p – n (xem hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu tạo Pin quang điện

Nguyên lý làm việc của tế bào quang điện

1.1.2.

Khi ánh sáng chiếu vào, điện tử e- hấp thụ năng lượng lượng tử ánh sáng photon E=hv và chuyển lên mức năng lượng cao (lên vùng dẫn) và có thể trở thành điện tử tự do (h≈6.6260693.10-34 (J.s) - hằng số Plank, v tần số ánh sáng) (xem hình 1.2)

Hình 1.2 Nguyên lý làm việc Pin Quang điện

Khi nguyên tử thiếu 1 electron (e-) được gọi là lỗ trống (h+) Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn (xem hình 1.3)

Hình 1.4 Mạch điện tương đương đơn giản của Pin Mặt trời

Từ mạch điện tương đương như hình ở trên ta có thể viết:

I = Isc – Id (1.1) Với Id dòng điện qua diode (dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc P-N) được xác định bằng:

Id = I0(eqV/kT -1) (1.2) Trong đó:

I0 : dòng bão hòa của diode

q : điện tích electron (q=1,602.10-19C)

k : là hằng số Boltzman (1,381.10-23J/K)

T : là nhiệt độ môi trường (0K)

Ở nhiệt độ tiêu chuẩn 250C, dòng qua diode là:

𝐼𝑑 = 𝐼0(𝑒3819𝑉𝑑− 1)

a) b)

Hình 1.5 a) Dòng điện ngắn mạch; b) Điện áp hở mạch Pin mặt trời

Có hai điều kiện cần đặc biệt quan tâm đến các PV thực tế và mạch tương đương của nó Trên hình 1.5a cho ta thấy khi ngắn mạch Pin mặt trời thì sẽ không có dòng đi qua diode, khi đó Vd=0, dòng ngắn mạch chính bằng dòng Isc Ngược lại, khi ta hở mạch thì dòng điện qua tải sẽ bằng không I=0 và điện áp Pin mặt trời lúc này V=Voc

𝑉0𝑐 =𝑘𝑇

𝑞 ln⁡(

𝐼𝑠𝑐

𝐼0 + 1) (1.3) Khi ở 250C:

𝑉0𝑐 = 0.0257 ln(𝐼𝑠𝑐

𝐼0 + 1) (1.4)

Từ (1.3) và (1.4) ta vẽ được đường đặc tính U-I (xem hình 1.6)

Hình 1.6 Đặc tính U-I của Pin Quang điện

1.2 CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI

Hiện nay trên thế giới có hai loại công nghệ điện mặt trời chính là nhiệt mặt trời tập trung (CSP) và pin quang điện Về cơ bản, công nghệ điện mặt trời CSP sử dụng nguồn năng lượng nhiệt từ mặt trời để đốt nóng hơi nước làm quay tuabin như nguyên

lý của các nhà máy nhiệt điện Còn công nghệ điện mặt trời PV sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời để tạo ra điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện

Do đặc thù nhà máy điện mặt trời CSP có dây chuyền công nghệ phức tạp, cần phải có nhiều hệ thống phụ trợ đi kèm, lại chỉ có thể sử dụng được thành phần trực xạ của nguồn năng lượng mặt trời nên công suất lắp đặt còn hạn chế Tính đến cuối năm

2015, tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời CSP trên thế giới khoảng 4.800 MWp (xem hình 1.7)

Nguồn: Báo cáo toàn cầu năm 2016 của tổ chức REN21

Hình 1.7 Tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời CSP trên thế giới

Trong khi đó, nhà máy điện mặt trời PV với công nghệ sử dụng đơn giản, điều kiện lắp đặt dễ dàng và phù hợp với nhiều nơi khác nhau nên được quan tâm phát triển rộng rãi Tính đến cuối năm 2015, tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời PV trên thế giới khoảng 227.000 MWp (xem hình 1.8)

Nguồn: Báo cáo toàn cầu năm 2016 của tổ chức REN21

Hình 1.8 Tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời PV trên thế giới

Phát minh về hiện tượng quang điện đã xuất hiện từ thế kỷ thứ 19 Vào thập niên 1950 đã có một số nỗ lực nhằm thương mại hóa vật liệu quang điện, tuy nhiên không thành công do giá thành quá cao Vào lúc đó pin quang điện chỉ có ứng dụng thực tế trên các vệ tinh không gian, do tiêu chí gọn nhẹ và độ tin cậy quan trọng hơn nhiều so với giá thành Cho đến cuối những năm 80, đứng trước các khó khăn của cuộc khủng hoảng năng lượng lần đầu, cùng với những phát kiến mới giúp liên tục cải thiện hiệu suất và giá thành thì pin quang điện mới xuất hiện trên thị trường thực sự Ngày nay, với giá thành của các tấm pin đang liên tục giảm mạnh, cộng thêm sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất đã nâng cao chất lượng của các inverter nối lưới thì điện mặt trời hoàn toàn có khả năng cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống khi có sự quan tâm hỗ trợ của chính phủ cũng như các tổ chức tài chính

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

Nhà máy điện mặt trời nối lưới trực tiếp gồm các thành phần được mô tả trong hình 1.9, bao gồm:

- Tấm pin quang điện (PV module): là thành phần chuyển đổi bức xạ mặt trời trực tiếp thành điện năng DC thông qua hiệu ứng quang điện với một quy trình chuyển đổi hoàn toàn sạch và không yêu cầu các thành phần chuyển động như các máy điện quay thông thường Mỗi tấm pin quang điện gồm nhiều tế bào quang điện (PV cell) kết nối với nhau, các tấm quang điện sẽ được mắc nối tiếp thành chuỗi (string) và song song thành mảng (array) để đạt được công suất điện đầu ra DC yêu cầu

- 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

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

- Hệ thống giá đỡ (Mounting system): hệ thống cho phép các tấm pin quang điện được gắn cố định đảm bảo trên mặt đất Hệ thống có thể thiết kế với góc nghiêng cố định hoặc bám theo mặt trời (sun-tracking system) Với giải pháp lắp đặt các tấm pin trên mặt nước thì hệ thống giá đỡ được thay thế bằng hệ thống phao nổi

- 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 Tùy thuộc vào quy mô công suất, điều kiện lưới điện khu vực mà cấp điện áp có thể thay đổi phù hợp (ví dụ 22kV, 35kV, 110kV, 220kV…) Với các cấp điện áp cao thế sẽ phải cần thông qua 2 cấp máy biến áp

- Cơ sở hạ tầng để đấu nối lưới điện: là cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc đấu nối nhà máy vào lưới điện Cụ thể ở đây là trạm biến áp, sẽ bao gồm các thiết bị bảo vệ, đo đếm, điều khiển

Công nghệ của nhà máy điện mặt trời

1.2.2.

1.2.2.1 Pin quang điện

a Loại pin quang điện

Việc phân loại các tấm pin quang điện chủ yếu dựa vào thành phần và cấu tạo của vật liệu làm tấm pin Hiện nay vật liệu bán dẫn chủ yếu sử dụng để sản xuất pin là Silic, ngoài ra còn có các loại vật liệu khác như CdTe hay CIGS/CIS Mỗi loại vật liệu

có đặc tính kỹ thuật riêng cũng như quy trình sản xuất và giá thành khác nhau

Tế bào quang điện có thể được tạo thành từ việc cắt nhỏ các khối rắn silic (wafer) hoặc tạo thành một lớp mỏng liên tục nhờ công nghệ màng mỏng (thin-film)

Tế bào quang điện cũng có thể được phân loại 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)

Các công nghệ pin mặt trời chính bao gồm (xem hình 1.10):

- Tinh thể Silic (c-Si): bao gồm 2 loại đơn tinh thể và đa tinh thể Tế bào đơn tinh thể có hiệu suất cao hơn do chất lượng tinh khiết của khối silic, tuy nhiên giá thành cũng cao hơn bởi yêu cầu quy trình sản xuất phức tạp

- Màng mỏng: cấu tạo là một lớp màng mỏng được bao phủ bởi lớp vật liệu bán dẫn Các loại vật liệu được sử dụng để chế tạo pin màng mỏng bao gồm:

o Silic vô định hình (a-Si)

o Cadmium Telluride (CdTe)

o Copper Indium Selenide (CIS)

o Coper Indium (Gallium) Di-Selenide (CIGS/CIS)

- Heterojuntion with intrinsic thin-film layer (HIT) – tạm dịch liên kết tương phản với màng mỏng bên trong: các module được tạo bởi khối silic đơn tinh thể mỏng được bao quanh bởi lớp silic vô định hình siêu mỏng

Hình 1.10 Phân loại các công nghệ pin quang điện

Do giá thành sản xuất thấp, hiệu suất cao và công nghệ sản xuất đã có kinh nghiệm hàng chục năm nay, pin quang điện tinh thể silic vẫn đang chiếm ưu thế trên thị trường Theo dự báo tới năm 2018 (xem hình 1.11), pin quang điện tinh thể vẫn sẽ chiếm đến 80% thị phần, 17% thị phần cho pin màng mỏng và 3% cho các loại module hiệu suất cao

Hình 1.11 Thị phần các loại công nghệ pin quang điện trên thế giới năm 2015

b Hiệu suất tấm pin

Mỗi loại công nghệ pin mặt trời có hiệu suất chuyển đổi quang điện tương ứng Thông thường tấm pin có hiệu suất chuyển đổi càng lớn thì giá thành càng cao Vì vậy, việc sử dụng các tấm pin giá rẻ không đồng nghĩa với suất đầu tư của toàn hệ thống sẽ

giảm, bởi sẽ cần phải tốn thêm các chi phí phụ trợ như khung đỡ, dây dẫn và chi phí thuê thêm đất Việc lựa chọn tấm pin có công suất phù hợp cần phải được đánh giá với nhiều điều kiện khác nhau Bảng 1.1 cho thấy hiệu suất trung bình của các loại công nghệ tấm pin quang điện hiện nay

Bảng 1.1 Đặc tính hiệu suất của các loại pin quang điện

Công nghệ Silic tinh thể HIT Silic vô định

c Sự suy giảm công suất tấm pin

Tất cả các tấm pin quang điện đều sẽ suy giảm hiệu suất theo thời gian Việc suy giảm hiệu suất gây ra bởi nhiều nguyên nhân: nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ mặt trời Ngoài

ra còn có yếu tố khác như chất lượng của vật liệu sản xuất tế bào quang điện, quy trình sản suất, chất lượng của quy trình lắp gshép và đóng gói tấm pin Việc bảo trì thường xuyên cũng ảnh hưởng một phần tới suy giảm hiệu suất

Tùy theo mỗi loại công nghệ pin mặt trời mà có sự suy giảm hiệu suất khác nhau Đối với tấm pin Silic tinh thể (c-Si), hệ số suy giảm thường sẽ cao hơn trong năm đầu vận hành do tấm pin bắt đầu tiếp xúc với ánh sáng, sau đó sẽ ổn định dần, đây được gọi là hệ số suy giảm do ánh sáng (Light Induced Degredation - LID) Tùy theo chất lượng tấm pin Silic tinh thể, hệ số suy giảm LID có thể dao động từ 0,5-2%

Các tấm pin quang điện có hệ số suy giảm công suất trung bình từ 0,3-1%/năm Đối với tấm pin silic tinh thể, hệ số suy giảm thường là 0,4%/năm, một số hãng có thể cung cấp tấm pin với độ suy giảm thấp hơn Với tấm pin silic vô định hình và CIGS,

hệ số suy giảm trung bình ở mức 0,7-1%/năm Còn tấm pin CdTe thường suy giảm ở mức 0,4-0,6%/năm

1.2.2.2 Bộ nghịch lưu – Inverter

Inverter là một thiết bị điện tử công suất, có chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều DC thành dòng điện xoay chiều AC nhờ các linh kiện bán dẫn đóng cắt với tần số cao (FET, MOSFET, IGBT…) Các inverter mới ngày nay có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau: 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), cung cấp các thiết bị đóng cắt và cách ly hệ thống với các chức năng bảo vệ phù hợp với nhiều chế độ vận hành của hệ thống điện

a Phân loại inverter

Mô hình kết nối Inverter được chia làm 3 loại mô hình chính, trong đó 2 mô hình đầu tiên (xem hình 1.12) hiện chiếm chủ yếu trên thị trường, cụ thể như sau:

- Inverter trung tâm (Central Inverter): là loại inverter gom công suất của

nhiều chuỗi PV mắc song song với nhau, công suất khoảng vài trăm kW Inverter trung tâm có ưu điểm là chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thấp nhất, việc lắp đặt dễ dàng và đạt hiệu suất cao Nhược điểm là kích thước lớn, vận hành gây ồn và tính khả dụng của

hệ thống không cao (khi inverter hư hỏng thì sẽ mất công suất lớn), ngoài ra Inverter trung tâm chỉ có thể dò công suất cực đại MPPT tại mức độ mảng pin mặt trời (array level) nên hiệu suất không cao, nhất là với những vùng bị ảnh hưởng lớn bởi bóng che gần Hiện tại Inverter trung tâm vẫn là phương án lựa chọn chính cho các loại nhà máy điện mặt trời quy mô công suất lớn (khoảng trên 2MWp)

- Inverter chuỗi (String Inverter): là loại inverter gom công suất của một hoặc

một vài chuỗi PV gồm các tấm pin mắc nối tiếp nhau Inverter chuỗi thường sử dụng trong quy mô hộ gia đình hoặc hệ thống điện mặt trời thương mại Ưu điểm là khả năng thiết kế hệ thống linh hoạt, hiệu suất cao và chi phí thấp, có khả năng dò công suất cực tại các chuỗi pin (string level) Nhược điểm là chi phí đầu tư và bảo trì lớn, khó áp dụng với các nhà máy nối lưới quy mô lớn Inverter chuỗi thường có đầu ra là dòng điện AC một pha Do khối lượng nhỏ và chi phí thấp nên có thể dễ dàng dự trữ

và thay thế khi cần, nâng cao độ khả dụng của nhà máy

- Inverter siêu nhỏ (Microinverter): là loại inverter gắn trực tiếp tại mỗi tấm

pin Đây là loại inverter có chi phí đầu tư và bảo dưỡng cực lớn, lắp đặt phức tạp Tuy nhiên ưu điểm là đem lại hiệu suất cao vì có thể dò công suất cực đại tại mỗi tấm pin (panel level), ngoài ra tính khả dụng của hệ thống cao và đảm bảo an toàn vì điện áp

DC hệ thống thấp Microinverter thường chỉ áp dụng cho các hệ thống quy mô nhỏ,

cần hiệu suất cao và hiện ít phổ biến trên thị trường

Hình 1.12 Cấu trúc PV đấu nối lưới a) Central Inverter b) String Inverter

Ngoài ra, các inverter còn được phân loại dựa theo dạng có MBA và không MBA Inverter không MBA thường sẽ có hiệu suất cao hơn, do không chịu tổn thất của MBA Việc không có MBA cũng sẽ giảm khối lượng và kích thước của inverter (nhẹ hơn 50-75% so với inverter có MBA) Tuy nhiên inveter không MBA sẽ cần

thêm các thiết bị bảo vệ như CB chống dòng rò DC, và hệ thống cũng gia tăng nhiễu loạn điện từ (EMI)

Ngược lại, inverter có MBA lại có khả năng cách ly giữa phần AC và DC, giảm nguy cơ xảy ra dòng rò và giảm nhiễu điện từ Nhược điểm là gia tăng khối lượng, kích thước và tổn hao của inverter Hiện nay đa phần các inverter trung tâm là loại có MBA

b Công suất định mức và hệ số công suất

Công suất định mức của inverter trung tâm dao động từ vài trăm kW đến vài

MW Công suất định mức của inverter thường được ghi danh định tại điều kiện làm việc 50oC, và là công suất đầu ra AC Với nhiệt độ làm việc càng cao thì công suất của inverter càng giảm và ngược lại

Vào giai đoạn mà công nghệ điện mặt trời mới phát triển, các inverter chỉ được sản xuất mới nhiệm vụ phát công suất thực, vì chủ đầu tư luôn mong muốn phát tối đa công suất thực lên lưới Tuy nhiên, ngày nay với các yêu cầu gắt gao hơn khi kết nối

hệ thống điện, các inverter cần phải có khả năng phát hoặc nhận công suất phản kháng

để tham gia vào quá trình điều khiển điện áp của hệ thống, thậm chí còn có thể hoạt động vào ban đêm (nhưng thường thì sẽ không cho phép vận hành ở chế độ này) Vì vậy, hầu hết các inverter trung tâm hiện đại đều có khả năng điều chỉnh hệ số công suất (xem hình 1.13)

Hình 1.13 Đường cong công suất của hai loại inverter với cách ghi công suất danh

định khác nhau

Công suất của inverter bị giới hạn bởi khả năng tải dòng điện của các thiết bị bên trong Tuy nhiên do thiếu các tiêu chuẩn công nghiệp về inverter nên dẫn đến sự khác nhau trong việc ghi công suất danh định giữa các hãng sản xuất (kW hay kVA) Một

số inverter của các hãng có công suất phản kháng định mức cao hơn công suất thực định mức, tức là inverter có khả năng phát công suất phản kháng tại điểm công suất thực tối đa Trong khi inverter của các lại định mức công suất phản kháng bằng công suất thực, có nghĩa chúng không thể phát công suất phản kháng nếu đang phát công suất thực định mức

Về khả năng điều chỉnh hệ số công suất, mặc dù inverter có khả năng điều chỉnh

hệ số công suất từ 0 đến 1 (cả sớm và trễ pha), tuy nhiên thực tế các nhà sản xuất inverter thường chỉ giới hạn khả năng điều chỉnh công suất từ 0,8 trễ pha đến 0,8 sớm pha (một số inverter giới hạn từ 0,9 trễ pha đến 0,9 sớm pha)

Bảng 1.2 thể hiện các thông số của một số inverter như sau:

Bảng 1.2 Bảng thông số chính của một số loại inverter

c Hiệu suất inverter

Hiện nay có nhiều định nghĩa để xác định hiệu suất của inverter, có sự khác biệt này là do hiệu suất của inverter thay đổi theo điều kiện làm việc Do đặc thù nhà máy điện mặt trời có công suất phát thay đổi liên tục theo từng phút, vì vậy inverter sẽ liên tục làm việc ở các chế độ tải khác nhau Hiệu suất của inverter phụ thuộc vào tải làm việc dẫn đến việc lựa chọn công suất inverter và công suất mảng pin mặt trời phù hợp sao cho tối ưu sản lượng điện năng là bài toán kinh tế - kỹ thuật quan trọng

Trên thị trường hiện nay, các loại inverter được sản xuất và danh định với 3 thông số hiệu suất:

- Maximum efficiency: hiệu suất chuyển đổi tối đa của inverter ứng với một điểm công suất đầu vào nhất định, điểm công suất này tùy thuộc vào các hãng sản xuất khác nhau

- European efficiency: được tính toán dựa trên hiệu suất trung bình tại những vùng làm việc có điều kiện khí hậu tương tự ở châu Âu, cụ thể sẽ tính trung bình hiệu suất tại các điều kiện công suất đầu vào khác nhau:

𝑛𝐸𝑢𝑟𝑜= 0,03 × 𝑛5%+ 0,06 × 𝑛10%+ 0,13 × 𝑛20%+ 0,1 × 𝑛30%+ 0,48 × 𝑛50%+ 0,2 × 𝑛100%

- CEC efficiency (California Energy Commission): áp dụng cho những vùng có bức xạ mặt trời cao hơn như vùng Tây Nam của Mỹ:

𝑛𝐶𝐸𝐶 = 0,04 × 𝑛10%+ 0,05 × 𝑛20%+ 0,12 × 𝑛30%+ 0,21 × 𝑛50%+ 0,53 × 𝑛75%+ 0,05 × 𝑛100%

d Điện áp DC đầu vào

Điện áp tối đa

Điện áp một chiều tối đa của hệ thống theo tiêu chuẩn IEC là 1.000 V Hiện nay

đã có tiêu chuẩn IEC mới cho phép điện áp tối đa của hệ thống lên đến 1.500 VDC, lúc này toàn bộ các thiết bị phụ trợ đi kèm cũng sẽ phải đáp ứng cùng tiêu chuẩn này Điện áp tối đa của hệ thống là điều kiện để lựa chọn số tấm pin nối tiếp tối đa trong một chuỗi pin Điện áp hở mạch của chuỗi pin tại điều kiện nhiệt độ môi trường làm việc nhỏ nhất (xét tại trường hợp cực đoan nhất là nhiệt độ của tấm pin bằng nhiệt

độ môi trường) phải nhỏ hơn điện áp tối đa của hệ thống:

𝑉𝑂𝐶_𝑚𝑎𝑥@𝑇𝑎𝑚𝑏_𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑉𝑠𝑦𝑠_𝑚𝑎𝑥⁡(1000𝑉⁡ℎ𝑜ặ𝑐⁡1500𝑉)

Lưu ý nhiệt độ môi trường làm việc nhỏ nhất không có nghĩa là nhiệt độ thấp nhất, bởi nhiệt độ thấp nhất chỉ xảy ra vào ban đêm, là lúc tấm pin không phát điện

Dải điện áp hoạt động MPPT

Là dải điện áp hoạt động của inverter cho phép dò tìm được điểm công suất cực đại của mảng pin mặt trời tại nhiều điều kiện làm việc khác nhau Inverter có nhiệm vụ giữ điện áp làm việc của hệ thống nằm trong dải này, kể cả khi điện áp MPP của mảng pin vượt ra khỏi khoảng điện áp đấy (trong những điều kiện chuyển tiếp hoặc quá độ ngắn hạn)

Thông thường, với tiêu chuẩn IEC 1.000V, các Central inverter có dải điện áp MPPT dao động trong khoảng 400-900V tùy loại Công suất của inverter càng cao thì điện áp đầu vào làm việc càng lớn

Giá trị ngưỡng dưới của dải điện áp MPPT dùng để lựa chọn số tấm pin nối tiếp tối thiểu trong một chuỗi pin Điện áp MPP của chuỗi pin tại nhiệt độ làm việc cao nhất của tế bào quang điện phải lớn hơn điện áp làm việc thấp nhất của inverter:

𝑉𝑀𝑃𝑃_𝑚𝑖𝑛@𝑇𝑐𝑒𝑙𝑙_𝑚𝑎𝑥 ≥ 𝑉𝑀𝑃𝑃𝑖𝑛𝑣𝑡_𝑚𝑖𝑛Tại điều kiện làm việc bình thường, nhiệt độ của tế bào quang điện thường cao hơn nhiệt độ môi trường khoảng 20-30o

C

e Điện áp AC đầu ra – tần số

Đầu ra AC của inverter trung tâm là dòng điện 3 pha, điện áp thường sẽ ở mức dưới 600Vac tùy theo tiêu chuẩn điện áp hạ thế của các nước Như ở Mỹ thường là 400V hoặc 480V, ở Canada là 600V, ở châu Âu là 380V hoặc 400V Một số hãng inverter cho phép điều chỉnh dải điện áp đầu ra để đáp ứng nhiều tiêu chuẩn của các nước, kể cả tần số (50Hz hoặc 60Hz)

Với tiêu chuẩn của Việt Nam sử dụng inverter có cấp điện áp AC đầu ra 400V, tần số 50Hz là phù hợp, đáp ứng với các thiết bị điện đi kèm Trong trường hợp lựa chọn inverter loại công suất lớn (trên 2MWp), cấp điện áp đầu ra cao hơn cần phải xem xét

380-f Dòng điện đầu vào – đầu ra

Giới hạn dòng điện phụ thuộc vào công suất của inverter lựa chọn Dòng điện đầu vào tối đa của inverter sẽ giới hạn tổng số lượng chuỗi tấm pin tối đa cho phép vào inverter

{𝐼𝐼𝑀𝑃𝑃_𝑎𝑟𝑟𝑎𝑦 < 𝐼𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡_𝑚𝑎𝑥

𝑆𝐶_𝑎𝑟𝑟𝑎𝑦 < 𝐼𝑆𝐶_𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡_𝑚𝑎𝑥Ngoài ra cần quan tâm tới số lượng ngõ vào/ra của inverter để thiết kế hệ thống phù hợp Một số inverter có thể chỉ có một ngõ vào DC, lúc này cần thêm một tủ để gom các ngõ vào DC khác lắp đặt bên cạnh inverter Trong khi inverter có tích hợp tủ gom dây, cho phép các ngõ vào DC nối trực tiếp vào inverter, thiết kế này tránh được việc lựa chọn dây nối từ tủ gom dây vào inverter không phù hợp

Dòng điện đầu vào và đầu ra của inverter còn dùng để lựa chọn các thiết bị bảo

vệ hai đầu và dây dẫn điện cho phù hợp Thông số này phụ thuộc vào công suất và dải điện áp vào/ra đã được kiến nghị lựa chọn

g Nối đất và bảo vệ

Hiện nay trên thế giới tồn tại song song hai thiết kế của hệ thống điện mặt trời:

có nối đất và không có nối đất phần điện một chiều (Lưu ý cần phân biệt nối đất với nối vỏ thiết bị, hệ thống không nối đất vẫn yêu cầu phải nối vỏ thiết bị để đảm bảo an toàn) Sự khác nhau của hai hệ thống dẫn đến sự khác nhau về thiết bị đóng cắt, bảo vệ quá dòng và phát hiện sự cố chạm đất

Hệ thống có nối đất yêu cầu một trong hai cực (âm hoặc dương) của hệ thống DC phải nối đất trực tiếp Hệ thống này xuất hiện phổ biến ở Mỹ do lịch sử về tiêu chuẩn

hệ thống điện Với hệ thống này, dây nối của cực nối với đất (thông thường là cực âm) không được nối thông qua thiết bị đóng cắt hoặc cầu chì bảo vệ, và chỉ được cách ly khỏi đất trong trường hợp có sự cố chạm đất Riêng một số inverter đặc biệt với thiết

kế hai cực, hệ thống sẽ gồm hai mảng pin, một mảng nối đất cực âm và một mảng nối đất cực dương kết nối lại với nhau, dù điện áp tối đa của mỗi sợi dây so với đất không vượt quá 600V, nhưng điện áp cả hệ thống sẽ đạt đến 1.200V

Hệ thống không nối đất (hay còn gọi là hệ thống nổi – floating system) đang trở thành tiêu chuẩn phổ biến hơn ở châu Âu và châu Á, hiện nay cũng đang được áp dụng nhiều ở Mỹ Hệ thống không nối đất yêu cầu cả hai cực đều phải có thiết bị đóng cắt

và bảo vệ Mặc dù phải gia tăng số lượng thiết bị bảo vệ của cả hệ thống, nhưng bù lại, việc kiểm soát và bảo vệ chống chạm đất của hệ thống không nối đất đơn giản và có nhiều ưu điểm hơn

Ngoài chức năng bảo vệ ngắn mạch, chạm đất, chống sét, inverter còn phải có các chức năng vận hành như điều khiển hệ số công suất, vượt qua sụt áp (Low voltage ride through – LVRT), chế độ điều khiển động (dynamic control) – cho phép nhà máy điện mặt trời có khả năng vận hành như các nhà máy điện truyền thống

- Điều kiện lắp đặt inverter: tùy theo các hãng sản xuất và tiêu chuẩn các nước Các nước châu Âu thường sản xuất inverter hoạt động trong điều kiện đặt trong nhà, trong khi các nước Bắc Mỹ thường vận hành trực tiếp inverter đặt ngoài trời Một số hãng sản xuất lựa chọn giải pháp container tích hợp inverter, MBA trung thế và các thiết bị phụ trợ đi kèm

- Hệ thống phụ trợ đi kèm: hộp gom dây (combiner box), hệ thống điều khiển, thông tin, đo đếm, tự dùng ban ngày và ban đêm…

1.2.2.3 Hệ thống giá đỡ, phao đỡ

Các tấm pin quang điện cần được gắn cố định vào hệ thống khung đỡ nhằm giữ chúng ở góc định hướng phù hợp, đảm bảo kết cấu của hệ thống và bảo vệ các tấm pin

Hệ thống giá đỡ có thể cố định, xoay một trục hoặc xoay hai trục để bám theo mặt trời

Hệ thống bám theo có thể nâng cao sản lượng điện của nhà máy với cùng một công suất lắp đặt, tuy nhiên cũng đòi hỏi chi phí lắp đặt, bảo trì cao hơn, đồng thời diện tích chiếm đất cũng sẽ lớn hơn Ngày nay, khi giá thành của các tấm pin ngày càng giảm thì việc sử dụng hệ thống trục cố định ngày càng có ưu thế hơn

a Giá đỡ cố định

Với hệ thống giá đỡ cố định, các tấm pin sẽ được đặt nghiêng một góc so với phương nằm ngang nhằm tối đa lượng bức xạ nhận được Về lý thuyết, để đón được lượng bức xạ mặt trời tối ưu thì các tấm pin cần nghiêng một góc bằng với vĩ độ (tilted angle - góc nghiêng) và xoay về hướng chính Nam (azimuth - góc phương vị) Khi đó, tại 12h trưa các ngày Xuân phân và Thu phân, mặt trời sẽ chiếu vuông góc với bề mặt các tấm pin (hình 1.14)

Hình 1.14 Góc đặt tối ưu cho các tấm pin mặt trời

b Hệ thống phao nổi

Với đặc thù nhà máy điện mặt trời lắp nổi trên hồ, hệ thống giá đỡ sẽ được thay thế bằng hệ thống phao nổi Ngoài nhiệm vụ giữ cố định các tấm pin, hệ thống phao nổi còn phải đảm bảo liên kết thành các mảng lớn và có đường vận hành, sửa chữa Đây là giải pháp công nghệ mới trên thế giới nhưng đang được áp dụng ngày càng nhiều bởi các ưu điểm của nó như: tận dụng được diện tích mặt nước không sử dụng, tăng cao hiệu suất nhà máy nhờ giảm nhiệt độ vận hành của các tấm pin và tổn hao trên dây dẫn, hạn chế sự bay hơi nước và sự phát triển của rong tảo có hại trong hồ

1.2.2.4 Máy biến áp trung thế

MBA trung thế trong nhà máy điện mặt trời có chức năng nâng điện áp đầu ra của inverter lên cấp điện áp trung thế để nối lưới trực tiếp hoặc gom về TBA cao thế

để nâng lên cấp điện áp cao hơn

MBA trung thế sẽ được đặt gần các inverter nhất có thể để giảm tổn thất điện áp

hạ thế Thông thường MBA sẽ được đặt chung với inverter trong nhà hoặc container thiết kế sẵn, đi kèm các các hệ thống tủ phân phối, đo lường, điều khiển…

Các nhà sản xuất inverter thường cũng sẽ cung cấp các MBA trung thế phù hợp

để kết nối với các inverter, và có thể kết nối sẵn thành một khối từ trong nhà máy Thiết kế này giúp tối ưu khoảng cách dây nối giữa hai thiết bị và giảm chi phí thi công lắp đặt Ngoài ra, lựa chọn MBA của các nhà sản xuất inverter cũng sẽ giúp tối ưu hiệu suất vận hành của nhà máy

Để lựa chọn MBA trung thế cho nhà máy điện mặt trời cần xem xét những thông

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 cong 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

2 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA CÁC THIẾT BỊ VÀ QUY ĐỊNH ĐẤU

NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI

Ở chương này luận văn trình bày tổng quan về phần mềm Power System Simulator for Engineering – PSS/E, phần mềm mà luận văn sẽ sử dụng để thực hiện

mô hình hóa lưới điện, các thiết bị liên quan để đánh giá các vấn đề liên quan đến đấu nối nhà máy điện mặt trời có công suất lớn Ngoài ra, chương này còn trình bày các quy định đấu nối nhà máy điện mặt trời

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 Chương trình giúp chúng ta mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa các tính năng của hệ thống điện phục vụ cho công tác vận hành cũng như quy hoạch hệ thống điện Nó sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại nhất để:

- Tính toán trào lưu công suất;

- Tối ưu hóa trào lưu công suất;

- Nghiên cứu các loại sự cố đối xứng và không đối xứng: Cho phép tính toán chế độ làm việc của hệ thống ở tình trạng sự cố như ngắn mạch, đứt dây ở bất

cứ điểm nào trong hệ thống Phục vụ cho công việc tính toán chỉnh định rơle

và tự động hóa trong hệ thống điện

- Tương đương hóa hệ thống;

- 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

Chương trình được tổ chức theo sơ đồ khối như sau:

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

2.1.1.

Phân bố công suất - Power Flow, Xác định tổn thất

Phân tích động – Dynamics

Phân bố công suất cải tiến – Load Flow Enhancement

Phân tích ngắn mạch bất đối xứng – Unbalanced Fault Analysis (Short Circuit)

Phân bố công suất tối ưu – Optimal Power Flow (OPF)

Đưa dữ liệu đầu vào và lấy kết quả đầu ra từ

chương trình PSS/E

Dữ liệu đầu vào để tính trào lưu công suất

: huy động nguồn,phụ tải của các trạm…

Các dữ liệu cơ bản:mô phỏng đường

Tính toán trào lưu

công suất

Kết quả tính toán:

Các dữ liệu HTĐ

Trào lưu công suất HTĐ

Kiểm tra các giới hạn

Hiển thị kết quả qua sơ

Nghiên cứu hệ thống tuyến

tính:tính toán trào lưu công

suất khi bỏ qua ảnh hưởng của

công suất phản kháng

Biến đổi dữ liệu:

Biến đổi dữ liệu của máy phát / phụ tải

Tương đương hóa hệ thống

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

2.1.2.

Chương trình PSS/E có một số khả năng đặc biệt:

Cho phép người dùng tạo ra các thư viện để mô tả rõ ràng các điều kiện của

hệ thống và các vấn đề cần khảo sát

Khả năng thực hiện của từng chức năng giúp ta đạt được những kết quả mong muốn trong bài toán trào lưu công suất,mô phỏng và tính toán ngắn mạch

Cho ta biết tiến trình cài đặt mô hình động của hệ thống cần mô phỏng

Mô hình của Photovoltaic Arrays (PV)

2.2.1.

Các tấm pin Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, chúng được làm từ các vật liệu bán dẫn, một khi ánh sáng Mặt Trời được hấp thụ bởi các vật liệu này, năng lượng Mặt Trời sẽ đánh bật các hạt điện tích (electron) năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các hạt tích điện này di chuyển trong vật liệu và tạo thành điện Quá trình chuyển đổi photon thành điện này gọi là hiệu ứng quang điện

Một Cell PV là một thành phần đơn giản nhất của module PV, dòng điện phát ra

từ các cell là rất nhỏ, một module solar bao gồm nhiều cell solar được kết nối song song và nối tiếp để tạo ra dòng điện và điện áp thích hợp Cell PV có đặc tính đặc biệt V-I bị ảnh hưởng khi thay đổi trở kháng tải, cường độ bức xạ và nhiệt độ Các cell PV được thể hiện như nguồn dòng có giá trị gần bằng với giá trị dòng điện ngắn mạch với trở kháng nhỏ Khi trở kháng tăng thì dòng điện có sự thay đổi nhỏ, tuy nhiên khi điện kháng tải tăng hơn nữa thì các cell bắt đầu dao động như 1 nguồn điện áp với sự suy giảm nhanh chóng của dòng điện khi điện áp đạt đến mức điện áp hở mạch Đặc tính V-

I cũng thay đổi theo cường độ bức xạ và nhiệt độ Như cường độ bức xạ tăng dòng điện ngắn mạch của cell tăng theo dẫn đến điện áp hở thay đổi không lớn lắm Khi nhiệt độ tăng làm tăng dòng ngắn mạch một ít kèm theo là sự suy giảm điện áp hở mạch Các cell PV có công suất cực đại khi nó vận hành tại điểm nối giữa đặc tính nguồn dòng và nguồn áp Thuật toán Maximun Power Point Tracking (MPPT) đảm bảo được cell luôn luôn vận hành ở điểm có công suất cực đại

Cell là mô hình nguồn dòng, Iph phát ra dòng điện do hiệu ứng quang điện và dòng điện bão hòa ngược I0 được mô hình là diode chuyển ngược 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 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:

𝐼 = 𝐼𝑝ℎ−⁡𝐼0(𝑒𝑞(𝑉+𝑅𝑛𝐾𝑇𝑠𝐼)− 1) −𝑉 + 𝑅𝑠𝐼

Với :

I : là dòng điện của cell

V : là điện áp của cell

Iph : là dòng điện phát từ hiện tượng quang điện

I0 : là dòng điện bão hòa của diode

q : là điện tích electron, k là hằng số Boltzman,

T : là nhiệt độ môi trường,

n : là hệ số lý tưởng

Để tạo ra hệ thống PV có dòng điện và điện áp định mức thích hợp, một số cell được kết nối song song và nối tiếp Mặc dù đã có các mô hình toán học dựa trên lý thuyết vật lý để mô phỏng PV cell, nhưng vì lý do thực tiễn nên luận văn dựa trên dữ liệu sẵn có của nhà sản xuất, một mô hình toán học được mô tả tại [5]

Hình 2.1 Mô hình thiết bị PV

Mặc dù đã có các mô hình toán học dựa trên lý thuyết vật lý để mô phỏng cell

PV, nhưng vì lý do thực tiễn nên luận văn dựa trên dữ liệu sẵn có của nhà sản xuất, một mô hình toán học được mô tả tại [1]

Mô hình này liên quan đến 4 thông số, V0c là điện áp hở mạch, Isc là dòng điện năng mạch, Vm điện áp tại điểm làm việc cực đại, Im là dòng điện tại điểm làm việc cực đại và thông số này thường được cung cấp vởi nhà sản xuất Các thông số được đưa ra theo điều kiện tiêu chuẩn Để có kết quả chính xác thông số đầu ra cần xét đến

sự thay đổi của cường độ bức xạ và nhiệt độ đầu vào của cell PV V’oc, I’sc, V’m and I’m được thể hiện bên dưới:

Sref = 1000W/m2, T là nhiệt độ và Tref = 250C

Các thông số được tính với giá trị tiêu chuẩn của cường độ bức xạ, S = 1000W/m2 và T = 250C Các hằng số a, b, c là hằng số kinh nghiệm

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 Các công nghệ MPPT được giới thiệu trong tài liệu [6] và cả 2 thuật toán xác định điểm làm việc

có công suất lớn nhất Incremental Conductance (INC – thuật toán điện dẫn gia tăng)

và Perturbation & Observation (P&O – thuật toán nhiễu loạn và quan sát) cũng đã được mô hình hóa, tuy nhiên [7] mô hình INC dùng để mô phỏng động vì đây là phương pháp khắc phục những nhược điểm của phương pháp P&O như sẽ cho kết quả tốt nhất khi thời tiết thay đổi nhanh Vì vậy, 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]

Mô hình PV sử dụng mô hình nhà máy gió loại WT4 do 2 loại này sử dụng cùng 1 loại công nghệ Cả hai công nghệ PV và turbine gió loại WT4 đều dùng công

nghệ điều khiển và inverter để đẩy công suất vào lưới

Theo hình 2.2 trong mô hình converter, tính hiệu dòng điện tác dụng và dòng điện phản kháng được dùng để tính toán dòng điện bơm vào hệ thống Công suất từ

PV thay đổi phù hợp với điều kiện thời tiết Điều kiện về sự thay đổi nhiệt độ là điều kiện tuyên quyết nhưng trong nghiên cứu này nhiệt độ được giả định là hằng số không đổi (t =250C) và cường độ bức xạ mặt trời là đầu vào

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

Mô hình Battery Energy Storage System - BESS

2.2.2.

Hình 2.3 Mô hình thiết bị BESS

Trong vài trường hợp do cường độ bức xạ thay đổi, ngắn mạch trên lưới PV…, dẫn đến dao động công suất ảnh hưởng đến tần số, điện áp 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

2.2.2.1 Mô hình trào lưu công suất thiết bị BESS

CBEST được mô hình hóa trong các nghiên cứu trào lưu công suất như một máy phát thông thường với trở kháng nguồn lớn, vì nó được sử dụng để ổn định dao động của hệ thống và do đó không ảnh hưởng đến việc phân tích trào lưu

2.2.2.2 Mô hình động thiết bị BESS

Mô hình động BEST đại diện vài đặc tính động của thiết bị BESS Nó mô phỏng giới hạn của trào lưu công suất của Pin (Pmax và –Pmax) và giới hạn dòng điện

AC của bộ chuyển đổi converter (đại diện IACmax và -IACmax) Nó cũng tính tổng năng lượng ra (Eout) vào ra của Pin bằng cách nhân công suất ra (Pout) với thời gian, có xét đến hiệu suất của việc lưu trữ và tổn thất năng lượng (đại diện bằng INPEFF và OUTEFF) Công suất ra dương thể hiện rằng pin đang xả, khi công suất vào âm thể hiện pin đang sạc Mô hình này thể hiện rằng công suất định mức đủ lớn đáp ứng tất cả các yêu cầu về năng lượng trong quá trình mô phỏng, vì vậy nó có thể sạc và xả bất kỳ thời gian nào, không xác định và ở bất kỳ mức nào

Công suất Paux vào được đại diện bằng tín hiệu vào Paux để mô hình hóa hiệu suất pin cho các ứng dụng mong muốn Trong trường hợp này, chức năng của BESS là hạn chế dao động tần số, một mô hình điều khiển ổn định tần số - PAUX1, cũng có trong thư viện mô hình PSS/E - được sử dụng (hình 2.4) Mô hình này về cơ bản là một bộ điều khiển tỷ lệ với hằng số Kc yêu cầu Ngõ ra điều khiển công suất, được gửi đến mô hình CBEST bởi tín hiệu PAUX, tỷ lệ với độ lệch tần số tại nút, nơi pin được nối Ngoài ra, nó có bộ lọc thông thấp (hằng số thời gian TR), một bộ lấy mẫu hoặc thiết bị chuyển đổi chậm (hằng số thời gian TD) và một khối giới hạn đầu ra, giới hạn được thiết lập để giới hạn công suất tác dụng của mô hình trào lưu của pin

Hình 2.4 Mô hình thiết bị Dynamic BESS

Mô hình thiết bị STATCOM

2.2.3.

Hình 2.5 Nguyên lý máy điện đồng bộ

Nguyên lý máy bù đồng bộ được minh họa trên hình 2.5 Để tạo công suất phản kháng thuần túy, sức điện động Ea, Eb, Ec của máy điện quay sẽ cùng pha với điện áp

hệ thống Va,Vb, Vc Dòng điện tạo nên công suất phản kháng I có thể xác định theo hệ thức:

X

E V I

Trong đó:

+ V là điện áp đường dây, + E sức điện động cảm ứng của máy điện + X là trở kháng máy điện cộng với trở kháng tản máy biến áp và trở kháng ngắn mạch của hệ thống

Công suất phản kháng Q do máy bù cung cấp sẽ là:

2

1

V X V

E

Bằng cách điều khiển dòng kích từ máy đồng bộ quay và vì thế điều khiển sức điện động E, công suất phản kháng Q sẽ được điều khiển Bằng cách tăng E vượt lớn hơn V (kích từ dư), dòng điện I sẽ mang tính dung, ngược lại giảm E nhỏ hơn V, ta sẽ tạo nên dòng điện bù mang tính cảm Một lượng nhỏ công suất tác dụng sẽ được cung cấp cho máy điện để bù phần công cơ học và tổn hao trên máy điện

Nguyên lý tạo công suất bù bằng bộ nghịch lưu điện áp được vẽ trên hình 5 Điện cảm X là trở kháng tản của máy biến áp Bộ nghịch lưu áp sẽ được điều khiển để