Giới thiệu chung
Giới thiệu
Năng lượng hàng ngày tồn tại dưới nhiều dạng như ánh sáng, nhiệt độ và điện, và cơ thể con người sử dụng năng lượng từ các hợp chất như cacbon hydrat và chất đạm để thực hiện các hoạt động như vận động, thở, tăng trưởng và suy nghĩ Con người đã phát triển hàng ngàn máy móc và công cụ sử dụng năng lượng để cải thiện cuộc sống, bao gồm các thiết bị điện và những thiết bị sử dụng năng lượng từ dầu, than đá, và nhiều nguồn khác.
Hai dạng năng lượng phổ biến nhất là nhiệt và điện Nhiệt là năng lượng do sự chuyển động của các phần tử trong chất, với tốc độ chuyển động càng nhanh thì chất càng nóng Trong khi đó, điện là dạng năng lượng liên quan đến sự di chuyển của các electron trong dây dẫn như dây đồng.
Nhu cầu năng lượng thế giới
Theo Bộ Năng lượng Mỹ, điện năng sẽ trở thành nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất trong những thập kỷ tới Nhu cầu sử dụng điện toàn cầu đã đạt 19 nghìn tỷ kWh vào năm 2015, với tỷ lệ tăng trưởng hàng năm là 2,6%.
Hình 1.1 Nhu cầu sử dụng điện trên thế giới từ 1970 đến 2015
Nhu cầu sử dụng năng lượng điện trong ngành công nghiệp tại các quốc gia đang phát triển và các quốc gia có nền công nghiệp phát triển dự kiến sẽ tăng lên đến năm 2015, như thể hiện trong Hình 1.2.
Hình 1.2 Tiêu thụ năng lượng điện tại các quốc gia được công nghiệp hóa và đang phát triển từ 1990 đến 2015
Tiêu thụ năng lượng điện đang tăng nhanh ở các nước phát triển, với Tổ chức các nước phát triển và hợp tác kinh tế (OECD) chiếm 20% dân số toàn cầu nhưng lại tiêu thụ đến 60% tổng lượng điện Mỹ, mặc dù là nước tiêu thụ điện lớn nhất thế giới, lại có tỷ lệ tăng trưởng thấp nhất chỉ 1,3%, trong khi tỷ lệ tăng trung bình toàn cầu đạt 2,6% Mêhicô ghi nhận tỷ lệ tăng cao nhất hàng năm với 4,7% vào năm 2015, và các nước phát triển ở Châu Á được dự đoán sẽ có tỷ lệ tăng cao nhất khoảng 5%.
Khi nhu cầu năng lượng điện gia tăng, than sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho phát điện, đặc biệt tại Trung Quốc và Ấn Độ Mặc dù năng lượng hạt nhân đang có xu hướng phát triển, nhưng các nhà khoa học dự đoán rằng nó sẽ dần suy giảm trong tương lai Con người kỳ vọng rằng than đá, khí tự nhiên và năng lượng tái tạo sẽ thay thế các kế hoạch năng lượng hạt nhân cũ Trong đó, năng lượng tái tạo sẽ chiếm ưu thế trong sự phát triển chung Năng lượng tái tạo không chỉ mang lại nguồn năng lượng sạch mà còn góp phần giảm thiểu tác động đến môi trường, phù hợp với các cam kết quốc tế như Hiệp định thư Kyoto.
Hình 1.3 Tiêu thụ năng lượng điện ở các nước phát triển Châu Á từ 1990 đến
Hình 1.4 Cắt giảm khí thải theo Hiệp định thư Kyoto
Năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng, dự kiến sẽ chiếm hơn 25% tổng lượng điện toàn cầu vào năm 2030 Năm 2004, tỷ lệ này chỉ đạt 18% Trong giai đoạn nhất định, sản lượng điện từ năng lượng tái tạo đã tăng từ 3.179 TWh lên 7.775 TWh, trở thành nguồn phát điện lớn thứ hai sau than.
Tăng trưởng có kế hoạch phụ thuộc vào các chính sách mới đang được xem xét và khả năng thực hiện chúng, cùng với việc mở rộng và củng cố các chính sách hiện tại Nhiều quốc gia thuộc OECD và ngoài OECD đang chú trọng vào việc tăng cường đóng góp từ các nguồn năng lượng tái tạo Đặc biệt, các nước trong Liên minh Châu Âu vẫn chưa đạt được mục tiêu sử dụng năng lượng tái tạo trước năm 2010, mặc dù đã có các chính sách quốc gia liên quan.
Tại Mỹ, gần một nửa các tiểu bang đang có kế hoạch gia tăng việc sử dụng năng lượng tái tạo thông qua việc áp dụng các tiêu chuẩn đầu tư năng lượng tái tạo.
Luật năng lượng tái tạo tại Trung Quốc, có hiệu lực từ năm 2006, đã tạo ra những ảnh hưởng sâu rộng đến việc phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo.
Tại các quốc gia OECD, cơ cấu của năng lượng tái tạo tăng 10% trên mức hiện tại
Tại các quốc gia đang phát triển, cơ cấu của năng lượng tái tạo tăng khoảng 4%
Theo các quy hoạch, đối với các quốc gia thuộc OECD, tăng trưởng ấn tượng nhất là 38% lượng điện dựa trên năng lượng điện tái tạo vào năm 2030
Đến năm 2030, thủy điện dự kiến sẽ đóng góp 16% vào tổng sản lượng điện toàn cầu, tương đương với tỷ lệ hiện tại Hầu hết các nhà máy thủy điện mới được xây dựng tại các quốc gia đang phát triển, nơi mà nguồn năng lượng dự phòng vẫn chưa được khai thác triệt để Những quốc gia này đang ngày càng chú trọng đến năng lượng tái tạo, do ảnh hưởng tiêu cực từ các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện và nhiệt điện Dự báo công suất thủy điện toàn cầu sẽ đạt khoảng 1431 GW vào năm 2030, so với 851 GW hiện tại, trong đó Trung Quốc sẽ tiếp tục dẫn đầu về công suất thủy điện.
105 GW vào năm 2004 đến khoảng 298 GW vào năm 2030 Tại Ấn Độ, công suất thủy điện tăng từ khoảng 31 GW vào năm 2004 đến khoảng đến khoảng
Đến năm 2030, năng lượng điện từ các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, sinh khối, địa nhiệt, thủy triều và sóng biển dự kiến sẽ đạt công suất 2872 TWh, tăng khoảng 8 lần so với hiện nay, với tỷ lệ đóng góp từ 2% lên 10% Sự gia tăng này chủ yếu diễn ra tại các quốc gia Châu Âu thuộc OECD, và các nguồn năng lượng tái tạo sẽ đáp ứng khoảng 22% nhu cầu sử dụng điện Sự gia tăng đáng kể này phản ánh các chính sách mới nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo.
Hình 1.5 Đóng góp của nguồn năng lượng tái tạo trong cơ cấu nguồn điện của các nước trên thế giới năm 2004 và 2030
Các phân tích chỉ ra rằng các nguồn năng lượng sẽ tiếp tục được khai thác mạnh mẽ trong tương lai, với năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, nhận được sự chú ý lớn Điều này đặc biệt đúng ở những quốc gia có điều kiện tự nhiên thuận lợi như Việt Nam.
Gần đây, xu hướng nối lưới hệ thống điện năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời, ngày càng được chú trọng nhằm giảm gánh nặng cho các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện và nhiệt điện Việc kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời cần được xem xét kỹ lưỡng, đặc biệt là ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện khi các thông số đầu vào như cường độ bức xạ và nhiệt độ có sự biến đổi.
Với những lý do nêu trên, luận văn này tập trung vào việc phân tích vận hành của hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới.
Tính cấp thiết của đề tài
Kết nối nguồn điện năng lượng tái tạo vào hệ thống điện chung là xu hướng tích cực, nhưng cần nghiên cứu và đánh giá ổn định hệ thống để đảm bảo an ninh cho lưới điện.
Vì vậy, đề tài “Phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” là cần thiết.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là một hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới sử dụng pin quang điện.
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:
- Đánh giá tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng điện mặt trời
Nghiên cứu về phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới sử dụng pin quang điện đã thu hút sự quan tâm đáng kể Các nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu suất, khả năng tích hợp vào lưới điện và những thách thức trong vận hành Bên cạnh đó, việc phân tích dữ liệu từ các hệ thống thực tế giúp tối ưu hóa thiết kế và cải thiện tính khả thi kinh tế của các dự án năng lượng mặt trời Sự phát triển của công nghệ pin quang điện cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và giảm chi phí đầu tư cho hệ thống.
- Mô hình và mô phỏng một hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới sử dụng pin quang điện
- Mô phỏng phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới sử dụng pin quang điện.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới sử dụng pin quang điện
- Nghiên cứu và xây dựng hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện
- Nghiên cứu kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện vào lưới điện
Nghiên cứu phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới sử dụng pin quang điện trong các điều kiện thay đổi của cường độ bức xạ là rất quan trọng Việc hiểu rõ cách thức hoạt động của hệ thống này giúp tối ưu hóa hiệu suất và tăng cường khả năng đáp ứng với biến đổi môi trường Các yếu tố như cường độ bức xạ và thời tiết có ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng điện năng, do đó, việc phân tích các điều kiện này là cần thiết để cải thiện độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống điện mặt trời.
Phương pháp nghiên cứu
+ Thu thập tài liệu và nghiên cứu phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
Dựa trên lý thuyết đã nghiên cứu, chúng tôi đã phát triển các mô hình để mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới sử dụng pin quang điện.
+ Nghiên cứu phân tích vận hành hệ thống điện đang khảo sát này.
Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 5 chương:
+ Chương 2: Tổng quan các nghiên cứu phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
+ Chương 3: Phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
+ Chương 4: Mô phỏng phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
Kết luận
Sự phát triển của cơ cấu nguồn điện gắn liền với sự phát triển của hệ thống phụ tải, yêu cầu các nhà khoa học nghiên cứu và triển khai nguồn năng lượng tái tạo Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời thu hút sự quan tâm lớn Việc kết nối năng lượng điện mặt trời vào hệ thống điện truyền thống có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống, do sự thay đổi của điều kiện tự nhiên như bức xạ và nhiệt độ, cũng như các sự cố như ngắn mạch Những vấn đề này sẽ được nghiên cứu và phân tích trong luận văn này.
Tổng quan các nghiên cứu phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
Giới thiệu
Kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với hệ thống điện truyền thống, bao gồm thủy điện và nhiệt điện, đang trở thành xu hướng phát triển trong ngành năng lượng Giải pháp này giúp giảm áp lực lên các nguồn năng lượng truyền thống khi mà nhiên liệu như than đá, dầu mỏ và khí đốt ngày càng khan hiếm và biến động về giá Đồng thời, nó cũng giải quyết vấn đề lưu trữ cho hệ thống điện năng lượng mặt trời, với hệ thống điện truyền thống đóng vai trò như một kho lưu trữ lớn cho năng lượng từ mặt trời.
Khi hệ thống điện được kết nối với nguồn năng lượng mặt trời, việc nghiên cứu và phân tích hệ thống điện này trở nên cần thiết Gần đây, các nhà khoa học đã chú trọng nhiều đến vấn đề này, và những thông tin chi tiết sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
Tình hình nghiên cứu trong nước
Tác giả Tạ Văn Toàn đã thực hiện nghiên cứu về "Phân tích hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời kết nối vào lưới phân phối khi có hiện tượng sụt áp" trong Luận văn Thạc Sĩ Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của hiện tượng sụt áp do ngắn mạch đến hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời Kết quả phân tích cho thấy các trường hợp cắt không mong muốn của hệ thống điện năng lượng mặt trời khỏi lưới điện khi xảy ra sụt áp Tác giả cũng đề xuất giải pháp để hệ thống điện năng lượng mặt trời tự ngắt kết nối khi có sự cố trong vùng tác động, đồng thời giữ kết nối trong các trường hợp ngoài vùng tác động.
Trong luận văn Thạc sĩ của mình, tác giả Nguyễn Thành đã nghiên cứu về "Pin quang điện và vấn đề kết nối lưới điện", tập trung vào hệ thống pin quang điện và các phương pháp điều khiển truy tìm điểm tối ưu công suất (MPPT) Các phương pháp điều khiển MPPT phổ biến như P&O, INC, CV thường gặp vấn đề về thời gian đáp ứng chậm và độ chính xác khi điều kiện môi trường thay đổi nhanh Tác giả đã đề xuất phương pháp điều khiển MPPT mới sử dụng mạng ANFIS, mang lại nhiều ưu điểm như hiệu quả chuyển hóa năng lượng tối đa, tốc độ đáp ứng nhanh và đơn giản trong điều khiển Kết quả mô phỏng hệ quang điện kết nối lưới điện cho thấy phương pháp ANFIS cải thiện độ méo dạng sóng hài (THD) so với phương pháp P&O.
Các tác giả Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Đình Quang và Trần Tùng đã thực hiện nghiên cứu về tối ưu công suất phát của hệ thống điện mặt trời nối lưới, đặc biệt trong trường hợp lưới điện hạ thế 1 pha Nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật điều khiển công suất phát thông qua việc điều chỉnh góc pha giữa điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu và điện áp lưới, đồng thời đồng bộ dòng công suất xoay chiều đầu ra vào lưới điện Ngoài ra, các tác giả cũng đề xuất những tiêu chuẩn kết nối liên quan.
Các tác giả Trương Việt Anh và Nguyễn Bá Thuận đã giới thiệu nghiên cứu về "Phương pháp mới hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện phân phối", trong đó mô hình kết nối nguồn năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng phân tác khác tại hộ gia đình vào lưới điện phân phối được trình bày Phương pháp điều khiển bám sát tần số và điện áp của nguồn lưới giúp ổn định dòng điện bơm vào lưới, bất chấp biến động điện áp và tần số Nghiên cứu cũng chỉ ra khả năng giảm thiểu công suất kháng truyền vào lưới, tối ưu hóa khả năng của bộ biến đổi nghịch lưu Đồng thời, nhóm tác giả Tran Cong Binh và các cộng sự đã phát triển một giải thuật điều khiển cho hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới điện một pha, cho phép biến tần đồng bộ hóa ngõ ra hình sin với lưới điện Hệ thống này điều khiển công suất tác dụng và phản kháng bằng cách điều chỉnh góc tải và biên độ điện áp ngõ ra, đồng thời luôn tìm được điểm công suất cực đại cho mảng pin quang điện, đạt hiệu suất cao trong các kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
Tình hình nghiên cứu nước ngoài
Khi tích hợp nguồn pin quang điện vào hệ thống điện, việc phân tích chất lượng điện năng và ổn định trở nên cần thiết Các tác giả Natthanon Phannil, Chaiyan Jettanasen và Atthapol Ngaopitakkul đã nghiên cứu chất lượng điện năng trong hệ thống này Nguồn pin quang điện kết nối với lưới điện truyền thống qua hệ thống nghịch lưu, trong đó quá trình đóng cắt của thiết bị nghịch lưu là nguyên nhân chính gây ra các vấn đề Kết quả mô phỏng cho thấy phần lớn họa tần đến từ nguồn pin quang điện và tải, đồng thời cho thấy rằng họa tần của hệ thống pin quang điện ảnh hưởng đến tải, trong khi họa tần của lưới chủ yếu bị ảnh hưởng bởi tải hơn là bởi hệ thống pin quang điện.
Các tác giả Kaveh Rahimi, Saeed Mohajeryami và Alizera Majzoobi đã nghiên cứu tác động của hệ thống nguồn pin quang điện đến chất lượng điện năng, đặc biệt thông qua hiện tượng bóng râm, với các chỉ tiêu như Tổng Nhiễu Họa Tần (THD) và Nhiễu Họa Tần Thành Phần (IHD) Kết quả cho thấy cường độ bức xạ giảm do bóng râm ảnh hưởng đáng kể đến THD hiện tại của hệ thống Trong khi đó, Fetissi Selxa, Labed Djamel, Labed Imen và Serghine Hassiba đã phân tích ảnh hưởng của thiết bị ổn định hệ thống điện (PSS) và bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) trong việc cải thiện ổn định động cho hệ thống điện có nguồn pin quang điện Nghiên cứu chỉ ra rằng PSS và STATCOM góp phần quan trọng vào việc nâng cao ổn định góc rotor và giảm dao động tần số trong các hệ thống điện.
Các tác giả E Munkhchuluun, L Meegahapola và A Vahidnia đã nghiên cứu tác động của việc thâm nhập lớn hệ thống điện năng lượng mặt trời vào hệ thống điện truyền thống đối với sự ổn định góc rotor, bao gồm cả ổn định góc rotor quá độ và nhiễu nhỏ Nghiên cứu đề xuất một phương pháp luận hệ thống để phân tích sự ổn định góc rotor, với các thông số như công suất tác dụng, công suất phản kháng và sai lệch góc rotor cực đại được duy trì ở trạng thái xác lập Kết quả cho thấy việc tích hợp hệ thống điện năng lượng mặt trời vào lưới điện đã cải thiện ổn định tín hiệu nhỏ, ngoại trừ trong các tình huống sự cố tại các vị trí xa, nơi có máy phát điện với bộ ổn định hệ thống điện.
Hệ thống ổn định động (PSS) đã được thay thế bởi hệ thống điện năng lượng mặt trời, dẫn đến sự suy giảm ổn định động do sự gia tăng tham gia của điện mặt trời vào lưới điện và các sự cố tại những vị trí quan trọng Tuy nhiên, ổn định động đã được cải thiện khi các sự cố xảy ra tại các vị trí ít quan trọng hơn Do đó, trạng thái gần sự cố của hệ thống điện năng lượng mặt trời đóng vai trò quyết định trong việc nâng cao ổn định động.
M Azharuddin và S R Gaigowal đã thực hiện nghiên cứu liên quan đến việc điều chỉnh điện áp thông qua hệ thống PV-STATCOM được nối lưới,
Nghiên cứu "Điều chỉnh điện áp bằng PV-STATCOM kết nối lưới" đề xuất sử dụng nguồn điện năng lượng mặt trời kết nối lưới và thiết bị bù bổ sung để cải thiện chất lượng điện năng và ổn định điện áp Hệ thống điện truyền xoay chiều linh hoạt bao gồm nhiều thiết bị bù, trong đó biến tần của nhà máy điện năng lượng mặt trời được sử dụng như một STATCOM để điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối, nâng cao sự ổn định cả ngày lẫn đêm Trong khi nhà máy điện năng lượng mặt trời chỉ phát công suất tác dụng vào ban ngày, PV-STATCOM hoạt động như một thiết bị bù tĩnh, duy trì công suất của bộ nghịch lưu vào ban đêm và tương ứng với các chế độ vận hành khác nhau của STATCOM Mô hình và phân tích được thực hiện trên hệ thống một máy có điểm giữa kết nối PV-STATCOM.
C Shiva, R Bhavani và N R Prabha đã nghiên cứu cải thiện chất lượng điện năng cho một hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới, "Power quality improvement in a grid integrated solar PV system" [11] Để khắc phục các ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng của hệ thống điện khi có nguồn điện năng lượng mặt trời được kết nối vào, bộ lọc công suất tác dụng shunt (Shunt Active Power Filter, SAPF) với bộ điều khiển PI được đề xuất nghiên cứu để nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện có nguồn điện năng lượng mặt trời được tích hợp
Các tác giả S Devassy và B Singh đã nghiên cứu việc giảm thiểu vấn đề chất lượng điện năng bằng cách sử dụng bộ UPQC (United P-Q Controller) tích hợp vào hệ thống điện năng lượng mặt trời một pha, gọi là PV-UPQC Hệ thống này kết nối với liên kết DC của UPQC thông qua bộ biến đổi DC-DC đơn giản Bộ điều khiển nguồn áp song song (VSC) của UPQC giúp bù đắp cho các vấn đề như sóng hài dòng điện tải và công suất phản kháng, đồng thời cung cấp công suất tác dụng từ hệ thống điện năng lượng mặt trời vào lưới điện, duy trì điện áp liên kết DC ở mức điện áp đặt trước Bộ điều khiển nguồn áp nối tiếp bù điện áp phía lưới, xử lý các vấn đề như sự trồi/sụt điện áp và sóng hài, đảm bảo tải quan trọng nhận được nguồn điện áp hình sin chuẩn Bộ biến đổi DC/DC hỗ trợ hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động tại điểm công suất cực đại, tối ưu hóa công suất phát Hiệu suất của bộ điều khiển PV-UPQC đã được mô phỏng trong các điều kiện thay đổi của cường độ bức xạ và nhiễu điện áp của lưới điện với sự kết hợp của các tải tuyến tính và phi tuyến.
Các tác giả R N Tripathi và T Hanamoto đã nghiên cứu cải thiện chất lượng điện năng thông qua giải thuật Fryze Conductance trong hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới Hệ thống được mô hình hóa và mô phỏng bằng giải thuật cực tiểu dòng điện dựa trên điện dẫn Fryze, trong đó bộ điều khiển PI được sử dụng để duy trì điện áp liên kết DC Giải thuật điều khiển này giúp cung cấp dòng điện bù tổn thất cho tải, từ đó cải thiện chất lượng điện năng qua các kết quả mô phỏng với tải tuyến tính và phi tuyến Khái niệm cực tiểu hóa cường độ dòng điện nhằm cung cấp công suất tác dụng trung bình cho tải với giá trị hiệu dụng cực tiểu của cường độ dòng điện.
Kết luận
Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng vấn đề phát triển ngành năng lượng điện tái tạo cần được chú trọng và phân tích kỹ lưỡng hơn Điều này nhằm đảm bảo tính chặt chẽ và hợp lý cho xu hướng phát triển của năng lượng điện nói chung.
Phân tích vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
Hệ thống điện
Hệ thống điện là một cấu trúc phức tạp, với các đặc tính tổng hợp không chỉ phụ thuộc vào tính chất riêng của từng phần tử mà còn vào sự phối hợp giữa các phần tử trong hệ thống.
P 1 : Công suất đầu vào (kW);
P 2 : Công suất đầu ra (kW);
Tổn thất công suất trong quá trình truyền tải (∆P) được đo bằng kilowatt (kW) Hệ số sử dụng hữu ích (η) của các phần tử là tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào Suất tiêu hao công suất (δ) được xác định bằng tỷ số giữa công suất đầu vào và công suất đầu ra.
Các đặc tính năng lượng của các các phần tử bao gồm:
- Đặc tính tổn hao công suất:
- Đặc tính hiệu suất sử dụng:
- Đặc tính suất tiêu hao:
Từ (3.1) - (3.3), các mối quan hệ sau có thể được hình thành:
Đối với các phần tử truyền tải điện, đặc tính tổn hao và hiệu suất sử dụng là rất quan trọng Những đặc tính này không chỉ phụ thuộc vào công suất truyền tải mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác Cụ thể, tổn hao công suất và hiệu suất sử dụng của máy biến áp và đường dây tải điện phụ thuộc vào dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng và điện áp của lưới điện.
3.1.2 Cấu trúc của hệ thống điện
Cấu trúc nguồn điện cần đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho phụ tải với độ tin cậy cao, bao gồm cả công suất tác dụng và công suất phản kháng trong mọi tình huống, đồng thời tối ưu hóa chi phí sản xuất điện Trong trường hợp hệ thống chỉ sử dụng nhà máy nhiệt điện, việc đảm bảo năng lượng trở nên đơn giản hơn do có khả năng chủ động cung cấp năng lượng sơ cấp Tuy nhiên, khi kết hợp với nhà máy thủy điện, việc đảm bảo năng lượng trở nên khó khăn hơn do phụ thuộc vào lượng nước.
Để đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện, cần tăng công suất dự trữ tại các nhà máy nhiệt điện, dẫn đến giá thành hệ thống điện tăng cao Do đó, cần thiết lập tỉ lệ hợp lý giữa công suất của các nhà máy nhiệt điện và thủy điện.
Để đảm bảo cung cấp điện cho các phụ tải, cần xem xét công suất dự trữ, độ linh hoạt của nguồn điện và cấu trúc lưới điện Trong mọi chế độ vận hành, công suất khả phát của các tổ máy phải lớn hơn công suất hiện tại một mức gọi là dự trữ quay, nhằm đáp ứng sự cố và điều chỉnh tần số khi phụ tải tăng.
Khoảng cách giữa công suất khả phát và công suất tối thiểu của hệ thống điện cùng với tốc độ nhận tải của các tổ máy xác định độ linh hoạt của nguồn điện Nguồn điện có độ linh hoạt yếu không thể đáp ứng công suất phụ tải trong chế độ tối thiểu, cũng như không đảm bảo chất lượng điều chỉnh tần số trong các tình huống khẩn cấp hoặc thời tiết bất lợi Để đạt được độ linh hoạt và hiệu quả kinh tế cao, hệ thống điện cần có tỷ lệ hợp lý giữa các tổ máy nhiệt điện và thủy điện Hệ thống điện kết hợp giữa tổ máy thủy điện và tuabin khí sẽ có độ linh hoạt cao nhờ vào tốc độ nhận tải nhanh và công suất tối thiểu thấp.
Các nhà máy điện cần điều chỉnh tần số, do đó, các tổ máy phát phải được trang bị bộ điều tốc Ngoài ra, một số tổ máy cũng cần có thêm bộ điều chỉnh tần số để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Một số nhà máy có thể lắp đặt hệ thống tự động phân bố công suất tối ưu giữa các tổ máy Để điều chỉnh điện áp, các tổ máy phát điện cần được trang bị bộ tự động điều chỉnh kích từ, trong đó một số tổ máy ở vị trí đặc biệt sẽ được trang bị bộ điều chỉnh kích từ mạnh nhằm đảm bảo sự ổn định tĩnh.
3.1.2.2 Cấu trúc của lưới điện
Lưới hệ thống điện kết nối các nhà máy điện với các trạm biến áp, tạo thành một hệ thống điện hoàn chỉnh Thiết kế của lưới hệ thống thường theo cấu trúc vòng và được vận hành theo kiểu kín.
Các đường dây dài siêu cao áp đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các hệ thống con của lưới điện, giúp cung cấp điện trong trường hợp xảy ra sự cố Tuy nhiên, việc này cũng dẫn đến những thách thức về ổn định tĩnh, thừa công suất phản kháng trong chế độ non tải và tổn thất vầng quang.
Sự phân bố công suất trên lưới điện phụ thuộc vào chế độ hoạt động của các nguồn điện và cấu trúc hệ thống Khi thiết kế, cần tránh tình trạng một số đường dây chịu tải nặng trong khi những đường dây khác lại không tải Để đảm bảo độ tin cậy, cấu trúc lưới điện cần có tính thừa về công suất, cho phép bảo trì định kỳ mà không làm giảm độ tin cậy Ngoài ra, để duy trì cân bằng công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp, tổn thất điện áp phải được giữ ở mức cho phép, và cần có hệ thống điều chỉnh điện áp tại các nguồn điện, máy biến áp, cũng như các nguồn phát và tiêu thụ công suất phản kháng.
Lưới điện hiện đại đã chuyển từ bộ phận thụ động thành các lưới điện linh hoạt (FACTS), cho phép điều khiển dòng công suất trên đường dây và giữ tải gần giới hạn nhiệt Điều này nâng cao khả năng truyền tải giữa các phần của hệ thống, giảm dự trữ chung và ngăn ngừa sự cố lan truyền Ngoài ra, FACTS còn giảm dao động điện áp, bảo vệ các phần tử và cải thiện giới hạn truyền tải điện.
Các thiết bị sử dụng trong lưới điện linh hoạt bao gồm:
Bộ giảm dao động điện áp bao gồm bộ tụ nối tiếp với đường dây, cùng với bộ điện kháng và điện trở nối song song Dòng điện qua bộ này được điều chỉnh bằng thyristor, cho phép điều chỉnh tổng trở của đường dây một cách trơn tru và tức thời Nhờ đó, bộ giảm dao động điện áp hạn chế các dao động điện áp, góp phần ổn định động cho hệ thống điện.
Máy bù tĩnh SVC (Static Var Compensator) bao gồm bộ tụ điện và kháng điện nối song song, với khả năng điều chỉnh từ cảm kháng sang dung kháng SVC giúp điều chỉnh và duy trì điện áp, đồng thời hạn chế dao động điện áp, góp phần nâng cao ổn định cho hệ thống điện.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời, nguồn tài nguyên tự nhiên đã được con người khai thác từ lâu, hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Các ứng dụng phổ biến của năng lượng mặt trời bao gồm việc sản xuất điện, cung cấp nhiệt cho các hệ thống sưởi ấm và hỗ trợ trong các công nghệ xanh.
Pin quang điện, hay còn gọi là tế bào quang điện, chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng Chúng sản xuất điện liên tục khi nhận được bức xạ mặt trời.
Năng lượng mặt trời có thể được sử dụng dưới dạng nhiệt năng thông qua các thiết bị thu bức xạ nhiệt Những thiết bị này không chỉ thu thập năng lượng từ mặt trời mà còn tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
Trong bài viết này, chúng tôi nghiên cứu ứng dụng của pin quang điện trong sản xuất năng lượng điện, nhấn mạnh quy mô và tính phổ biến ngày càng tăng của công nghệ này trong thời điểm hiện tại.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu để kết nối với lưới điện, tạo ra một hệ thống điện mới kết hợp giữa điện truyền thống và điện năng lượng mặt trời.
Các nghiên cứu liên quan đến ổn định của hệ thống điện mới này cũng sẽ được nghiên cứu trong luận văn này
3.2.2 Mô hình toán pin quang điện
Mô hình toán của pin quang điện được xây dựng trên cơ sở sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện mà được biểu diễn như sau [14]
Hình 3.4 Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện
Trong pin quang điện, hai tham số quan trọng là dòng điện ngắn mạch (Isc) và điện áp hở mạch (Voc) Dòng điện ngắn mạch (Isc) thể hiện khả năng cung cấp điện khi pin không có tải, trong khi điện áp hở mạch (Voc) là điện áp tối đa mà pin có thể đạt được khi không có dòng điện chạy qua Những thông số này đóng vai trò quyết định trong hiệu suất và khả năng hoạt động của pin quang điện.
Hình 3.5 Các tham số quan trọng của pin quang điện
(Dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V oc )
Pin quang điện được mô tả toán học như sau:
I: Cường độ dòng điện của pin quang điện (A);
V: Điện áp của pin quang điện (V);
I sc : Cường độ dòng điện ngắn mạch của pin quang điện (A);
V oc : Điện áp hở mạch của pin quang điện (V);
I 0 : Dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ (khoảng 10 -12 A/cm 2 ); q: Điện tích electron, q = 1,602.10 -19 (C); k: Hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10 -23 (J/K);
Trong điều kiện 25 0 C, ta có:
Trong thực tế, pin quang điện luôn gặp tổn hao, và các thông số R s và R p đặc trưng cho các tổn hao này Mô hình của pin quang điện có thể được mô tả như sau:
Hình 3.6 Mô hình thay thế của pin quang điện có xét đến các tổn hao
Mô hình toán của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p được biểu diễn như sau:
Các đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
Hình 3.7 Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
Một khuyết điểm của pin quang điện là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ Một pin quang điện có điện áp làm việc khoảng 0,5 V
+ Để có điện áp làm việc lớn hơn, yêu cầu phải mắc nối tiếp các pin quang điện; và
+ Để có dòng điện làm việc lớn hơn, yêu cầu phải mắc song song các pin quang điện
Hình 3.8 Module pin quang điện Điện áp (V)
Khi ấy, điện áp của module pin quang điện có thể được xác định như sau:
V module : Điện áp của module pin quang điện (V); n: Số pin quang điện của module pin quang điện;
R s : Giá trị điện trở nối tiếp (Ω)
Các đường đặc tính của một module pin quang điện được mô tả như sau:
Hình 3.9 Đặc tính của module pin quang điện
Mảng pin quang điện được định nghĩa là việc kết nối nhiều module pin quang điện
Có 3 hình thức kết nối các module pin quang điện là:
Mắc nối tiếp các a Kết hợp nối tiếp nhiều module pin quang điện
Hình thức kết hợp nối tiếp nhiều module pin quang điện được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống pin quang điện
Hình 3.10 Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau b Kết hợp song song nhiều module pin quang điện
Hình thức kết hợp song song nhiều module pin quang điện được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện
Hình 3.11 Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau
V c Kết hợp hỗn hợp nhiều module pin quang điện
Hình thức kết hợp nhiều module pin quang điện được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện a) b)
Hình 3.12 Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau
3.2.5 Các ảnh hưởng đến pin quang điện
Thông thường, pin quang điện bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như sau:
3.2.5.1 Ảnh hưởng của cường độ bức xạ
Cường độ bức xạ càng lớn thì công suất thu được của pin quang điện càng lớn và dòng điện ngắn mạch, Isc càng lớn, Hình 3.10
Hình 3.13 Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ bức xạ khác nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 25 0 C
3.2.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ pin quang điện càng cao thì V oc càng thấp, Hình 3.14
Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau và cường độ bức xạ không đổi 1 kW/m 2
Cường độ chiếu sáng, 1 kW/m 2 Điện áp (V)
3.2.5.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm
Hiện tượng bóng râm xảy ra khi một phần của pin quang điện bị che phủ, dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất hoạt động của nó Khi một pin trong mảng pin quang điện bị che khuất, hiệu suất tổng thể của hệ thống năng lượng mặt trời sẽ giảm.
Hình 3.15 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module không bị che khuất
Hình 3.16 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module bị che khuất một phần
PV thứ n bị che khuất
Khi ấy, điện áp của module pin quang điện sẽ là:
Khi ấy, sụt áp gây ra bởi hiện tượng bóng râm được xác định như sau:
Mặt khác, do R p >> R s Khi ấy:
∆ ~ (3.29) Đặc tính của module pin quang điện khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được biểu diễn như Hình 3.17
Hình 3.17 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang điện
∆ ~ Đặc tuyến V-I với trường hợp PV không bị che khuất Đặc tuyến V-I với trường hợp PV bị che khuất Điện áp
Trong trường hợp khi nhiều pin quang điện bị che khuất thì các đặc tuyến có thể được biểu diễn như Hình 3.18
Để giảm thiểu tác động của hiện tượng bóng râm lên pin quang điện, việc sử dụng các diode bypass là cần thiết Hình 3.18 minh họa sự khác biệt giữa pin quang điện không bị che khuất và pin quang điện bị che khuất, cho thấy tầm quan trọng của việc bảo vệ hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.
Hình 3.19 Module pin quang điện sử dụng diode bypass
C ườ ng độ dòng đ i ệ n ( A ) Điện áp (V)
I Đặc tính của pin quang điện trong trường hợp sử dụng diode bypass được mô tả như Hình 3.20
Hình 3.20 minh họa đặc tính của pin quang điện khi sử dụng diode bypass Bài viết phân tích hiệu suất của một mảng pin quang điện trong việc nạp điện cho bộ ắc-quy 65V, so sánh tình trạng có và không có diode bypass bảo vệ.
Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass
Bị che khuất với diode bypass
Bị che khuất và không sử dụng diode bypass Điện áp ắc-quy Điện áp (V)
I = 2,2 A a) Không bị che khuất b) Bị che khuất và không sử dụng diode bypass c) Bị che khuất và sử dụng diode bypass
Trong Hình 3.21, các pin quang điện hoạt động như nguồn phát điện với điện áp 65 V, cho cường độ dòng điện 3,3 A theo đặc tuyến (V, I) Khi một module pin quang điện bị che khuất bởi bóng râm, nó sẽ không còn phát điện, và dòng điện sẽ chạy qua điện trở song song R p, dẫn đến sự xuất hiện của điện áp rơi.
∆V = I x R p Giá trị điện áp rơi, ∆V này cộng với giá trị điện áp của ắc-quy, 65
Điện áp V được áp dụng lên các module pin quang điện, và dựa vào đặc tuyến (V, I) của chúng, dòng điện sẽ giảm Khi pin quang điện sử dụng diode bypass, dòng điện sẽ chảy qua diode này, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng che khuất lên pin quang điện.
3.2.6 Hệ thống pin quang điện nối lưới
Hệ thống pin quang điện nối lưới không chỉ gia tăng công suất cho lưới điện quốc gia mà còn giúp tiết kiệm chi phí điện cho hộ gia đình và doanh nghiệp ở các nước phát triển Việc sử dụng hệ thống này cho phép nguồn điện dư thừa được cung cấp trực tiếp lên lưới mà không cần thiết bị lưu trữ Trong những năm gần đây, sự phát triển của hệ thống pin quang điện nối lưới đã diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu.
Hình 3.22 Hệ thống pin quang điện nối lưới
Có hai nhóm cấu hình chính được sử dụng trong việc nối lưới hệ thống pin quang điện là:
+ Cấu hình cách ly; và
+ Cấu hình không cách ly
Hình 3.23 Sơ đồ khối hệ thống pin quang điện nối lưới
Dạng biến đổi có cách ly có thể sử dụng bộ nâng áp DC-DC với máy biến áp tần số cao, nghịch lưu và lọc đầu ra LC để kết nối với lưới điện Một phương pháp khác là sử dụng nghịch lưu điện áp thấp kết hợp với máy biến áp tần số thấp nhằm nâng điện áp lên mức tương ứng với hệ thống trước khi kết nối vào lưới điện.
Hình 3.24 (a) Kiểu máy biến áp tần số thấp (b) Kiểu máy biến áp tần số cao
Trong phương pháp máy biến áp tần số thấp, năng lượng điện từ hệ thống pin quang điện được chuyển đổi từ điện áp một chiều sang điện áp xoay chiều thấp qua bộ nghịch lưu và bộ lọc điện dung Sau đó, điện áp này được nâng cấp lên 220V thông qua máy biến áp lõi thép để cung cấp cho tải xoay chiều.