Tính toán tổn thất công suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới

Các công cụ phần mềm PSCAD luôn cung cấp một môi trường tính toán mạnh và tiện dụng cho các ứng dụng thuộc lĩnh vực kỹ thuật. Một trong những ứng dụng điển hình là từ hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới đã xây dựng và được mô hình hóa trên phần mềm PSCAD ta có thể tính toán tổn thất công suất ở các chế độ vận hành. Từ đó đánh giá hiện trạng tổn thất công suất và đề xuất cải tiến của hệ thống năng lượng mặt trời áp mái của dự án.
15:01 | 31/08/2022
Các công cụ phần mềm PSCAD luôn cung cấp một môi trường tính toán mạnh và tiện dụng cho các ứng dụng thuộc lĩnh vực kỹ thuật. Một trong những ứng dụng điển hình là từ hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới đã xây dựng và được mô hình hóa trên phần mềm PSCAD ta có thể tính toán tổn thất công suất ở các chế độ vận hành. Từ đó đánh giá hiện trạng tổn thất công suất và đề xuất cải tiến của hệ thống năng lượng mặt trời áp mái của dự án.
• Giảm thiểu sóng hài dòng điện khi sử dụng biến tần
• Thách thức và giải pháp cho lưới điện có tỷ trọng cao năng lượng tái tạo
1. Giới thiệu phần mềm PSCAD

Chương trình PSCAD được phát triển bởi các nhà khoa học của MANITOBA (Manitoba HVDC Research Centre Inc. Canada) trong nỗ lực tạo ra một ngôn ngữ mô hình hóa và mô phỏng thống nhất – hiện đại, hướng đối tượng và phi nhân – qủa trong lĩnh vực Kỹ thuật điện. Là một ngôn ngữ hướng đối tượng, PSCAD quy định mỗi loại hệ thống con, ví dụ như máy phát đồng bộ hoặc không đồng bộ, tụ điện, cuộn cảm, đường dây trên không, cáp ngầm,… và các thành phần khác như máy cắt, thiết bị điều chỉnh,… đều được định nghĩa là một lớp (class). Hành vi có thể được mô tả bằng các phương trình (đại số, vi phân,…) hoặc các thuật toán. PSCAD hỗ trợ mô tả các hành vi dựa trên sự kiện, do đó cho phép dễ dàng mô tả các hệ thống sự kiện rời rạc và các hệ thống lai. Một lớp có thể thừa kế từ một lớp khác, qua đó cũng thừa kế tất cả các đặc điểm của lớp đó, kể cả các hành vi.

PSCAD có thể mô phỏng diễn biến hoạt động của cả hệ thống biểu diễn theo thời gian thực và cho phép người sử dụng can thiệp trực tiếp vào các quá trình điều khiển nhằm dự đoán trước được tất cả các tình huống mà hệ thống có thể gặp phải. Kết quả mô phỏng của mô hình rất trực quan, dễ hiểu. Không những thế, do không phải xác định quan hệ vào – ra nên mô hình này có thể được sử dụng cho các mục đích khác nhau, dù mục đích đó là tính toán diễn biến công suất của cụm máy phát, hay các quá trình quá độ của dòng điện phía chỉnh lưu – nghịch lưu. Các công cụ phần mềm PSCAD luôn cung cấp một môi trường tính toán mạnh và tiện dụng cho các ứng dụng thuộc lĩnh vực kỹ thuật.

2. Khái quát và mô hình hóa trên chương trình PSCAD bài toán tổn thất công suất
2.1 Khái quát tổn thất công suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới tại dự án

Điện năng được sản xuất từ các tấm quang điện sau khi được biến tần (inverter) chuyển đổi tiếp tục được truyền tải qua một hệ thống. Các phần tử của hệ thống này có điện trở và điện kháng nên sẽ gây tổn thất công suất tác dụng trên điện trở và tổn thất công suất phản kháng trên điện kháng. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý chi tiết mô tả hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của dự án.

tinh toan ton that cong suat he thong dien mat troi ap mai noi luoi
Hình : Sơ đồ nguyên lý chi tiết mô tả hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới.

Tổn thất công suất chủ yếu của hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới bao gồm: tổn thất trên inverter, tổn thất trên dây dẫn (dây CXV 0,6/1kV 3×50 +1x35mm2, dây CXV 0,6/1kV 3x240mm2, dây CXV 0,6/1kV 3×300 +1x300mm2) và tổn thất công suất trên máy biến áp.

2.2 Mô hình hóa bài toán tổn thất công suất trên chương trình PSCAD

Thiết kế, lại sơ đồ sơ đồ nguyên lý chi tiết mô tả hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của dự án và mô phỏng trên phần mềm PSCAD.

tinh toan ton that cong suat he thong dien mat troi ap mai noi luoi
Hình 2.1: Mô phỏng tính toán tổn thất công suất trên PSCAD.

Trong đó các vị trí điểm đo:

  • P1, Q1: công suất tác dụng và công suất phản kháng tại đầu ra inverter
  • P2, Q2: công suất tác dụng và công suất phản kháng tại MCCB
  • P3, Q3: công suất tác dụng và công suất phản kháng tại ACB tổng
  • P4, Q4: công suất tác dụng và công suất phản kháng tại ACB trạm
  • P5, Q5: công suất tác dụng và công suất phản kháng tại sơ cấp MBA
  • P6, Q6: công suất tác dụng và công suất phản kháng tại thứ cấp MBA
  • ∆Pij, ∆Qij: tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa hai điểm đo i và j

Từ hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới như đã xây dựng và mô hình hóa trên phần mềm PSCAD ta có thể tính toán tổn thất công suất ở các chế độ vận hành như sau:

  • Chế độ vận hành khi nguồn lưới yếu. Ở đây, khi xét đến nguồn lưới yếu có nghĩa là hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của dự án hòa vào lưới điện phân phối của ngành Điện mà ở đó công suất nguồn điện phân phối này nhỏ hơn 24MW.
  • Chế độ vận hành khi nguồn lưới mạnh. Ở đây, khi xét đến nguồn lưới mạnh có nghĩa là hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của dự án hòa vào lưới điện phân phối của ngành Điện mà ở đó công suất nguồn điện phân phối này lớn hơn 42MW.
  • Chế độ vận hành khi hiệu suất của biến tần (inverter) giảm do nhiệt độ. Khi nhiệt độ trong inverter gia tăng, điều đó làm cho hiệu suất của inverter giảm. Kết quả tính toán từ mô hình hóa của phần mềm PSCAD sẽ đánh giá chi tiết về mức độ tổn thất công suất của hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới.
    3. Tính toán tổn thất công suất tại xưởng 1
    3.1 Kết quả tổn thất tại xưởng 1 khi xét ở chế độ hòa lưới với nguồn lưới yếu

    Thiết kế và mô phỏng sơ đồ nguyên lý hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của xưởng 1 bao gồm: 9 biến tần (inverter), ngõ ra AC là dây CXV 0,6/1kV 3×50 +1x35mm2 được nối về thanh cái tủ điện phân phối hạ thế là dây CXV 0,6/1kV 3x240mm2, dây dẫn nối từ ACB tổng của tủ phân phối hạ thế đến ACB trạm biến áp là dây CXV 0,6/1kV 3×300 +1x300mm2. Ngoài ra, đoạn dây dẫn nối từ ACB tổng của tủ phân phối hạ thế đến ACB trạm biến áp còn đấu song song với 01 trạm bù hạ thế với dung lượng là 600kVAr. Tất cả các lộ ra hạ thế này được tăng áp qua một máy biến áp 22/0,4kV với công suất 1250kVA nhằm tăng điện áp lên 22kV và hòa với hệ thống điện phân phối của Ngành điện (lúc này công suất nguồn lưới được xét đến nhỏ hơn 24MW – lưới yếu). Kết quả mô phỏng với từng chế độ vận hành của biến tần (inverter) như sau:

    • Khi biến tần hoạt động ở nhiệt độ là 30°C, kết quả tính toán tổn thất công suất trên phần mềm PSCAD được thể hiện ở bảng sau:

    tinh toan ton that cong suat he thong dien mat troi ap mai noi luoi
    Bảng .1: Tổn thất xưởng 1: Lưới yếu tại 30°C

    Để có được số liệu tổng quát, giả thiết rằng tất cả các biến tần (inverter) đều đạt được công suất định mức là 100kW. Tổng cộng 9 biến tần của xưởng 1 biến đổi một lượng điện năng ở ngõ ra AC là 900kW (tương ứng với vị trí điểm đo P1, Q1 trong sơ đồ mô phỏng). Lượng điện năng này có thể thay đổi do ảnh hưởng của hiệu suất biến tầng (inverter) khi nhiệt độ thay đổi (đối với nhiệt độ hiện tại đang khảo sát là 30°C, hiệu suất đạt 100% công suất định mức).

    Đối với chế độ vận hành của biến tần (inverter) khi hòa lưới yếu và ở nhiệt độ 30°C thì điện năng nhận được tại thứ cấp máy biến áp (tương ứng với vị trí điểm đo P6, Q6 trong sơ đồ mô phỏng) coi như là lượng điện năng được hòa vào lưới điện của Ngành điện (có một phần tiêu hao trên đường dây trung thế của dự án nhưng không đáng kể). Khi đó lượng điện năng này được Ngành điện đo đếm và mua lại như là sản lượng điện được sản xuất ở tại dự án. Từ đó, tổn thất công suất trên hệ thống chính là lượng điện chênh lệch giữa tổng điện năng tại ngõ ra AC của biến tần (tương ứng với vị trí điểm đo P1, Q1 trong sơ đồ mô phỏng) và điện năng nhận được tại thứ cấp máy biến áp (tương ứng với vị trí điểm đo P6, Q6 trong sơ đồ mô phỏng). Khi khảo sát ở chế độ vận hành này, kết quả mô phỏng từ PSCAD tính toán được tổn thất công suất là 30,3 kW (tương ứng hiệu suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của xưởng 1 khi hòa lưới yếu và ở nhiệt độ 30°C đạt 96,63%). Lượng công suất tiêu hao nhiều nhất là tổn hao tại máy biến áp 22/0,4 – 1250kVA của xưởng 1 – công suất tiêu hao là 6,9kW. Lượng tiêu hao trên dây dẫn lớn nhất là đối với dây CXV 0,6/1kV 3×50 +1x35mm2 tại biến tần (inverter 6) – công suất tiêu hao là 4kW. Lượng công suất suất phản kháng tiêu hao trên hệ thống đã được bù bằng tụ bù hạ thế lắp đặt tại trạm biến áp.

    • Khi biến tần hoạt động ở chế độ hòa lưới yếu và nhiệt độ là 40°C, kết quả tính toán tổn thất công suất trên phần mềm PSCAD được thể hiện ở bảng sau:

    tinh toan ton that cong suat he thong dien mat troi ap mai noi luoi
    Bảng .2: Tổn thất xưởng 1: Lưới yếu tại 40°C

    Khi khảo sát ở chế độ vận hành này, kết quả mô phỏng từ PSCAD tính toán được tổn thất công suất là 107,1 kW (tương ứng hiệu suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của xưởng 1 khi hòa lưới yếu và ở nhiệt độ 40°C đạt 88,1%). Lượng công suất tiêu hao nhiều nhất là tổn hao tại biến tần (công suất tiêu hao là 80,91kW). Lượng tiêu hao trên dây dẫn lớn nhất là đối với dây CXV 0,6/1kV 3×50 +1x35mm2 tại biến tần (inverter 6) – công suất tiêu hao là 3,73kW.

    • Khi biến tần hoạt động ở chế độ hòa lưới yếu và nhiệt độ là 50°C, kết quả tính toán tổn thất công suất trên phần mềm PSCAD được thể hiện ở bảng sau:

    tinh toan ton that cong suat he thong dien mat troi ap mai noi luoi
    Bảng 3: Tổn thất xưởng 1: Lưới yếu tại 50°C

    Khi khảo sát ở chế độ vận hành này, kết quả mô phỏng từ PSCAD tính toán được tổn thất công suất là 132,7 kW (tương ứng hiệu suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của xưởng 1 khi hòa lưới yếu và ở nhiệt độ 50°C đạt 85,26%). Lượng công suất tiêu hao nhiều nhất là tổn hao tại biến tần (công suất tiêu hao là 107,73kW). Lượng tiêu hao trên dây dẫn lớn nhất là đối với dây CXV 0,6/1kV 3×50 +1x35mm2 tại biến tần (inverter 6) – công suất tiêu hao là 3,13kW.

    • Khi biến tần hoạt động ở chế độ hòa lưới yếu và nhiệt độ là 60°C, kết quả tính toán tổn thất công suất trên phần mềm PSCAD được thể hiện ở bảng sau:

    tinh toan ton that cong suat he thong dien mat troi ap mai noi luoi
    Bảng .4: Tổn thất xưởng 1: Lưới yếu tại 60°C

    Khi khảo sát ở chế độ vận hành này, kết quả mô phỏng từ PSCAD tính toán được tổn thất công suất là 296,10 kW (tương ứng hiệu suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của xưởng 1 khi hòa lưới yếu và ở nhiệt độ 60°C đạt 67,10%). Lượng công suất tiêu hao nhiều nhất là tổn hao tại biến tần (công suất tiêu hao là 278,82kW). Lượng tiêu hao trên dây dẫn lớn nhất là đối với dây CXV 0,6/1kV 3×50 +1x35mm2 tại biến tần (inverter 6) – công suất tiêu hao là 1,96kW.

    • Khi biến tần hoạt động ở chế độ hòa lưới mạnh và nhiệt độ là 60°C, kết quả tính toán tổn thất công suất trên phần mềm PSCAD được thể hiện ở bảng sau:

    tinh toan ton that cong suat he thong dien mat troi ap mai noi luoi
    Bảng 5: Tổn thất xưởng 1: Lưới mạnh tại 60°C

    Khi khảo sát ở chế độ vận hành này, kết quả mô phỏng từ PSCAD tính toán được tổn thất công suất là 298,9 kW (tương ứng hiệu suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới của xưởng 1 khi hòa lưới mạnh và ở nhiệt độ 60°C đạt 66,79%). Lượng công suất tiêu hao nhiều nhất là tổn hao tại biến tần (công suất tiêu hao là 278,91kW). Lượng tiêu hao trên dây dẫn lớn nhất là đối với dây CXV 0,6/1kV 3×50 +1x35mm2 tại biến tần (inverter 6) – công suất tiêu hao là 2,17 kW.

    3.2. Nhận xét

    tinh toan ton that cong suat he thong dien mat troi ap mai noi luoi
    Bảng 6: Nhận xét kết quả tổn thất tại xưởng 1

    Qua việc phân tích tổn thất công suất ở xưởng 1 ở các chế độ vận hành khác nhau, ta nhận thấy rằng:

  • Hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới vận hành tối ưu nhất ở điều kiện hòa lưới yếu khi nhiệt độ của biến tần (inverter) là 30°C (lúc này tổn thất của hệ thống khi tính toán bằng phần mềm PSCAD là 30,3 kW tương ứng với hiệu suất là 96,63%).

  • Khi hệ thống vận hành ở điều kiện hòa lưới mạnh và nhiệt độ của biến tần (inverter) là 60°C tổn thất công suất lúc này là cao nhất (lúc này tổn thất của hệ thống khi tính toán bằng phần mềm PSCAD là 298,9 kW tương ứng với hiệu suất là 66,79%).
  • Có sự chênh lệch về tổn thất giữa lưới yếu và lưới mạnh, tổn thất công suất ở lưới yếu thấp hơn lưới mạnh (tuy nhiên lượng chênh lệch không đáng kể). Điều đó đánh giá hệ thống đáp ứng tốt hơn ở lưới yếu.
  • Khi nhiệt độ càng cao thì tổn thất công suất trên biến tần (inverter) càng lớn. So sánh tổn thất công suất ở biến tần (inverter) và dây dẫn cũng có sự chênh lệch lớn khi nhiệt độ tăng.

    tinh toan ton that cong suat he thong dien mat troi ap mai noi luoi
    Hình 3.1: So sánh công suất tổn hao trên đường dây và inverter xưởng 1 khi nhiệt độ tăng.

    4. Đánh giá hiện trạng tổn thất công suất và đề xuất cải tiến của hệ thống năng lượng mặt trời áp mái của dự án

    4.1 Đánh giá hiện trạng tổn thất

    Tổng hợp các số liệu phân tích tổn thất công suất và khảo sát hiện trạng tại tất cả 03 xưởng của dự án, cho ta kết luận như sau:

    Tổn thất nhỏ nhất của hệ thống ở điều kiện hòa lưới yếu khi nhiệt độ biến tần

    • (inverter) ở 30°C là 3,37%. Tổn thất lớn nhất của hệ thống ở điều kiện hòa lưới mạnh khi nhiệt độ biến tần (inverter) ở 60°C là 33,21%. Chênh lệch tỉ lệ tổn thất giữa 02 điều kiện vận hành là 29,84%
    • Qua khảo sát thực tế tại dự án nhiệt độ của biến tần (inverter) luôn ở mức trên 55°C (do lắp sát với mái tôn nhà máy và không gian hạn chế). Việc lắp đặt và bố trí biến tần (inverter) như vậy làm giảm hiệu suất và tăng tổn thất công suất của toàn bộ hệ thống.

    4.2 Đề xuất hướng giải quyết

    Từ đó cho thấy việc thay đổi vị trí lắp đặt và làm mát sẽ tăng hiệu suất của biến tần và giảm tổn thất công suất của toàn bộ hệ thống.

    Cụ thể với với việc làm mát thì tần suất hỏng của inverter giảm. Nếu giảm 10°C thì chi phí bảo trì và thay thế cho inverter sẽ giảm đi khoảng 50%. Việc đó cũng dẫn đến nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống do thời gian chết giảm 50%.

    Tài liệu tham khảo

    1. Xue, M. Manjrekar, C. Lin, M. Tamayo and J. N. Jiang, Voltage stability and sensitivity analysis of grid-connected photovoltaic systems, IEEE Power and Energy Society General Meeting, Detroit, MI, USA, (2011), 1-7.
    2. Naomi Stringer, Navid Haghdadi, Anna Bruce, Jenny Riesz and Iain MacGill, Observed behavior of distributed photovoltaic systems during major voltage disturbances and implications for power system security, Applied Energy, 260-114283(2020), 1-13.
    3. M.Q. Duong, N.T.N. Tran, G.N. Sava, S. Leva, M. Mussetta, The Impact of 150MWp PhoAn Solar Photovoltaic Project into Vietnamese QuangNgai – Grid, International Conference and Exposition on Electrical And Power Engineering (EPE), Romania, (2018), 498-502.
    4. Le Thi Minh, T. Tran-Quoc, S. Bacha, C. Kieny, P. Cabanac, D. Goulielmakis, C. Duvauchelle, Behaviours of photovoltaic systems connected to MV network during faults, 26th EUPVSEC, Humburg, Germany, (2011), 4221 – 4226.
    5. A Mahmud. M.A, Hossain. M.J, Pota. H.R, Voltage Variation on Distribution Networks With Distributed Generation: Worst Case Scenario, IEEE Systems Journal, 8(2014), 1096 – 1103.
    6. Björn Lindgren, Topology for Decentralised Solar Energy Inverters with a Low Voltage AC-Bus, European conference on power electronics and applications, Lausanne (Switzerland), (1999), 1-10.
    7. Sarina Adhikari; Fangxing Li; Huijuan Li, P-Q and P-V Control of Photovoltaic Generators in Distribution Systems, IEEE Transactions on Smart Grid, 6(2015), 2929 – 2941.
    8. T.Tran-Quoc, G.Rami, A.Almeida, N.Hadjsaid, J.C.Kieny, J.C.Sabonadiere, Méthode et dispositif de régulation pour un dispositif de production décentralisée d’énergie, et installation comportant au moins deux dispositifs de production dotes dudit dispositif de régulation, Brevet d’invention international, (2005), 1-50.

    Ngô Đăng Lưu (Công ty Anh Minh Global)
    Nguyễn Đình Long (trường ĐH Đồng Nai)
    Nguyễn Hùng, (trường Đại học Công nghệ TP.HCM)
    Nguyễn Hữu Khoa (trường CĐ Điện lực TP.HCM)

Đường dẫn bài viết: https://tudonghoangaynay.vn/tinh-toan-ton-that-cong-suat-he-thong-dien-mat-troi-ap-mai-noi-luoi-4740.htmlIn bài viết

Cấm sao chép dưới mọi hình thức nếu không có sự chấp thuận bằng văn bản. Copyright © 2024 https://tudonghoangaynay.vn/ All right reserved.