Hiện nay các nguồn phát điện từ năng lượng tái tạo (NLTT), đặc biệt năng lương mặt trời, năng lượng gió, đang được tích hợp ngày càng tăng vào hệ thống điện (HTĐ). Mức độ xâm nhập ngày càng cao của NLTT sẽ đặt ra các vấn đề, các thách thức lớn về mặt kĩ thuật, mà lưới điện tương lai buộc phải đối mặt và giải quyết. Xuất phát từ điều kiện thực tế này nhóm tác giả đã đưa ra các giải pháp đề giải quyết không những từ trạng thái xác lập, mà còn trong trạng thái quá độ khi vận hành hệ thống, trong đó các khía cạnh nhằm bảo đảm độ ổn định của lưới điện khi mức xâm nhập của các nguồn phát từ NLTT nói chung, điện mặt trời (ĐMT) áp mái với qui mô nhỏ và vừa nói riêng.
• Xây dựng giải pháp lưới điện thông minh cho hệ thống điện Bình Định
• Đánh giá ảnh hưởng và khả năng duy trì phát điện của nhà máy điện mặt trời khi có sự cố trên lưới
• Tính toán hiệu quả kinh tế hệ lưu trữ năng lượng mặt trời
• Tính toán tổn thất công suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới
Trong xu hướng HTĐ nhiều nước dần đưa các nguồn năng lượng tái tạo vào làm việc, các hệ thống phát quang điện và điện gió sẽ có đóng góp to lớn. Cùng với chi phí đầu tư cho các công nghệ này trong các năm gần đây giảm nhanh, việc triển khai các nhà máy điện mặt trời và điện gió công suất lớn đang xảy ra trên khắp thế giới. Điển hình, tại Ireland, Đan Mạch, Đức đều đang vận hành hệ thống điện quốc gia với mức độ xâm nhập hàng năm của NLTT trên 20%.
Năng lượng tái tạo chưa thể là nguồn năng lượng thay thế, nhưng việc đặt những tấm quang điện trên các tòa nhà, xưởng cho hiệu quả cao và đây cũng là nguồn năng lượng quan trọng, thiết thực và phù hợp với sự phát triển của nguồn năng lượng trong thời gian tới.
Mô phỏng hệ thống điện mặt trời dựa trên phần mềm PSCAD
1. Kết quả mô phỏng kiểm soát công suất phản kháng và công suất tác dụng khi hệ thống làm việc ổn định
PSCAD (Power System Computer Aided Design) là một phần mềm đồ họa linh hoạt và mạnh. PSCAD và cơ cấu mô phỏng EMTDC (Electro Magnetic Transients including DC) của nó là một công cụ mô phỏng miền thời gian mục đích nói chung cho việc nghiên cứu sự vận hành chuyển tiếp của các lưới điện. Được phát triển đầu tiên vào năm 1976, chương trình mô phỏng EMTDC đã không ngừng phát triển về quy mô, phạm vi và khả năng của nó. Hiện nay PSCAD là một công cụ chuyên nghiệp dùng cho mô phỏng các quá độ điện từ.
Trong mô hình mô phỏng, Với số lượng các mô-đun năng lượng mặt trời song song được kết nối là 22 × 250 (số lượng tấm pin mắc nối tiếp × số lượng tấm pin mắc song song) và kết quả được minh họa cho bức xạ mặt trời 1000W/m 2 ở 25oC. Các thông số của hệ thống điều chỉnh nguồn ba pha 380V /50Hz PV bao gồm bộ biến đổi tăng áp và tần số chuyển đổi ba pha.
Điện áp DC đầu ra và dòng điện một chiều của PV thể hiện trong hình 2. Sau đó, hình 3 cho thấy điện áp DC đầu ra của bộ chuyển đổi tăng cường DC-DC.
Công suất PV theo tính toán là 0,48 MW. Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC được chọn, có công suất tối đa 0,5 MW và đầu ra điện áp đặt ở mức 1kV. Có thể thấy trong hình 3, điện áp đầu ra gần với giá trị 1kV. Ngoài ra, trạng thái tạm thời ban đầu kéo dài trong 2 giây và sau đó thay đổi sang trạng thái ổn định nhanh chóng. Các mô phỏng được chia thành 2 trường hợp. Trường hợp đầu tiên, công suất phản kháng tạo ra trên lưới là 0,1 MVAr, các thông số như nhiệt độ và bức xạ được giữ không đổi ở 25oC và 1000W/m 2, tương ứng. Tất cả các kết quả về công suất phản kháng và công suất có ích, đầu ra điện áp xoay chiều 3 pha và dòng điện AC của bộ hòa lưới kết nối lưới được thể hiện trong hình 4, 5 và 6.
Như có thể thấy trong hình 4, thời gian bắt đầu cho đến khi ở trạng thái ổn định là khoảng 5 giây. Công suất P và Q sau đó được duy trì ở mức cung cấp ổn định cho lưới theo các giá trị tham chiếu chính xác. Trạng thái thoáng qua xảy ra trong một thời gian ngắn và không có biến động trong dạng sóng của điện áp và giá trị hiện tại. Việc kiểm soát công suất phản kháng được vận hành ổn định, và theo kỳ vọng, việc thực hiện mô hình kiểm soát này nói chung là khả thi. Mặc dù có sự mất năng lượng hoạt động, giá trị này là nhỏ và chấp nhận được.
Hình 5 và 6 cho thấy dạng sóng của điện áp AC đầu ra và dòng điện xoay chiều ở trạng thái ổn định. Tuy nhiên, dạng sóng của dòng điện đầu ra bị biến dạng do biến tần sử dụng các thành phần bán dẫn.
Hình 6 cho thấy tổng độ méo của sóng hài (THD) cho dòng điện đầu ra THD% được tính theo mô phỏng là 2,8% tuân thủ tiêu chuẩn Việt Nam, yêu cầu% THD hiện tại <3%. Cải thiện sóng hài, cũng như mất điện, nên được thực hiện trong các nghiên cứu tiếp theo thông qua thiết kế bộ lọc LC cho các hệ thống, sử dụng máy biến áp trong các hệ thống lớn hơn và phát triển công nghệ để tăng hiệu quả của van bán dẫn.
Nghiên cứu trường hợp thứ hai tập trung vào khả năng kiểm soát công suất phản kháng của hệ thống khi thay đổi nhiệt độ và bức xạ xảy ra hoặc do lệnh điều phối. Hình 6 cho thấy công suất có ích và công suất phản kháng được tạo ra trong lưới khi sự chiếu xạ thay đổi. Ban đầu, bức xạ được đặt thành 1000 W/m2 sau đó giảm xuống 900W/m2. Công suất phản kháng là 0,1MVar.
Có thể thấy trong hình 8, khi bức xạ giảm đột ngột từ 1000W/m2 xuống 900W/m2 ở giây thứ 7, công suất có ích cũng giảm và ổn định sau khoảng 2 giây ở khoảng 0,28 MW. Trong thời gian đó, công suất phản kháng vẫn ở mức 1MVar cung cấp cho lưới điện. Do đó, hệ thống vẫn hoạt động ổn định và chính xác khi điều kiện môi trường thay đổi.
Hơn nữa, hình 9 minh họa khả năng tăng và giảm công suất phản kháng được tạo ra cho lưới trong trường hợp nhận lệnh điều phối từ các trung tâm điều phối tải. Ban đầu, Q được đặt thành 0,1MVAr sau đó đột ngột thay đổi từ 0,1MVAr thành 0,2MVAr ở giây thứ 6, tiếp theo giảm xuống 0,15 MVAr ở giây thứ 11 và cuối cùng giảm xuống 0MVAr ở giây thứ 16.
Tổng quát bộ điều khiển dq này, khả năng kiểm soát công suất phản kháng của hệ thống có thể hoạt động ngay lập tức và chính xác. Khi tăng giảm công suất phản kháng thì giá trị của công suất thực khá ổn định và không bị ảnh hưởng quá nhiều. Tuy nhiên, các dao động ở trạng thái tạm thời có thể giảm, vì vậy, các phương pháp kiểm soát cần phải được cải thiện trong các nghiên cứu tiếp theo.
2. Kết quả mô phỏng kiểm soát công suất phản kháng và công suất tác dụng khi hệ thống làm việc gặp sự cố ngắn mạch
Dựa vào những công thức P = Vd. Id , Q= – Vd .Id có thể phân tích được trong trường hợp sự cố ngắn mạch, việc điểu khiển tăng giảm công suất phản kháng và công suất thực sẽ ảnh hưởng đến lưới điện. Vì công suất thực phụ thuộc vào hiện tại, do đó để cung cấp năng lương thực cho lưới điện, phải được điều chỉnh để tuân theo tín hiệu tham chiếu được chỉ định Id ref, công suất phản kháng vào lưới được đặt thành 0 và do đó Id ref = 0. Điện áp Vpv và Ipv hiện tại của các mảng PV được sử dụng để tính toán đầu ra công suất thực của bộ hòa lưới cung cấp cho lưới điện. Đối với hệ số công suất đồng nhất, lệnh được đặt thành 0. Vậy khi xảy ra sự cố, điện áp sẽ giảm xuống trong khi dòng điện lại tăng. Khi đó, khả năng điều khiển P và Q của hệ thống cũng bị ảnh hưởng nhưng vẫn thực hiện được yêu cầu cung cấp công suất đưa lên lưới trong quá trình xảy ra sự cố. Sau khi tăng công suất phản kháng phát lên lưới thì điện áp tại điểm ngắn mạch được cải thiện và dòng điện ngắn mạch giảm, như vậy có thể thực hiện chức năng hỗ trợ vượt qua sự cố của inverter (Low Voltage Ride Through) giúp hệ thống điện tránh tan rã khi xảy ra sự cố, đặc biệt trong điều kiện tỉ trọng lớn các nguồn điện dùng inverter nối lưới.
Bảng 1 Thông số kỹ thuật của hệ thống
Lưới gặp sự cố ngắn mạch
Trong trường hợp này ta đặt công suất phản kháng sinh ra cố định là 0.1MVar cũng như điều kiện thời tiết tiêu chuẩn cường độ bức xạ 1000W/m2 ở nhiệt độ 25oC. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha chạm nhau, điện áp lưới bị giảm đột ngột cùng với dòng điện ngắn mạch lớn có khả năng dẫn đến sự thay đổi trong hệ thống PV. Ở mô phỏng này, ngắn mạch xảy ra với điện trở ngắn mạch là 1 W. Hình 10 thể hiện giá trị điện áp hiệu dụng của lưới khi xảy ra sự cố vào giây thứ 8 trong 4 trường hợp xét tới là khi điện áp hiệu dụng giảm xuống lần lượt 0.1pu, 0.3pu, 0.7pu và 0.9 pu, thời gian xảy ra sự cố là 0.5 giây.
Khi đó, khả năng điều khiển P và Q của hệ thống cũng bị ảnh hưởng. Trong trạng thái hoạt động bình thường và ổn định công suất thực và công suất phản kháng của hệ thống lần lượt là 0.48MW và 0.1Mvar. Có thể thấy trong hình 11 và 12 P và Q sinh ra trong thời gian bị sự cố của trường hợp sụt áp mức 0.9 pu và 0.7 pu gần như không đáng kể. Sự thay đổi rõ rệt chỉ xảy ra khi điện áp giảm xuống mức 0.3pu và 0.1 pu. Lúc này hệ thống không còn duy trì được việc cung cấp P và Q một cách ổn định. Đối với trường hợp điện áp giảm còn 0.3pu, P và Q xuống ngay lập tức chỉ còn khoảng 75% và 70% so với Po và Qo. Tương tự ở mức 0.1pu, P và Q cũng chỉ giữ được ở khoảng 25% và 23%. Ngoài ra trong quá trình quá độ khi chuyển từ chế độ sự cố sang vận hành bình thường ở mức 0.1pu và 0.3pu, P và Q đều tăng rất cao trong quá trình này, ảnh hướng đến sự ổn định của hệ thống.
Tuy nhiên, sau khi xác lập lại chế độ hoạt động bình thường thì hệ thống vẫn cung cấp công suất với dạng sóng dòng điện và điện áp hình sin.
KẾT LUẬN
Bài báo này đã nêu rõ tầm quan trọng và xu hướng phát triển của năng lượng mặt trời. Từ đó đưa ra phương án và cấu tạo chi tiết của hệ thống điện mặt trời để hướng tới việc phân tích và hướng dẫn lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái hòa lưới điện quốc gia cho các Xưởng sản xuất. Để có sự nhìn nhận rõ ràng hơn về hệ thống điện mặt trời, bài báo đã đưa ra ví dụ tính toán thực tế cho một xưởng tại Long An. Để đảm bảo hiệu quả và chất lượng cho hệ thống, bài báo đã đưa ra các công thức tính toán để áp dụng lựa chọn các thiết bị phù hợp cho từng hệ thống có các mức công suất khác nhau.
Ngô Đăng Lưu (Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh)
Nguyễn Đình Long (Trường Đại học Đồng Nai)
Nguyễn Hùng (Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh)
