Nâng cao ổn định hệ thống điện có kết hợp năng lượng mặt trời hòa lưới

Nâng cao ổn định hệ thống điện có kết hợp năng lượng mặt trời hòa lưới Nâng cao ổn định hệ thống điện có kết hợp năng lượng mặt trời hòa lưới Nâng cao ổn định hệ thống điện có kết hợp năng lượng mặt trời hòa lưới Nâng cao ổn định hệ thống điện có kết hợp năng lượng mặt trời hòa lưới Nâng cao ổn định hệ thống điện có kết hợp năng lượng mặt trời hòa lưới Nâng cao ổn định hệ thống điện có kết hợp năng lượng mặt trời hòa lưới Nâng cao ổn định hệ thống điện có kết hợp năng lượng mặt trời hòa lưới

Tổng quan về hướng nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng của con người ngày càng gia tăng trong thời đại công nghệ phát triển, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên đang cạn kiệt, dẫn đến nguy cơ thiếu hụt Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng địa nhiệt trở nên cấp thiết Trong đó, năng lượng mặt trời là một trong những ưu tiên hàng đầu của chương trình năng lượng mới, với mục tiêu phổ cập ứng dụng các thiết bị năng lượng mặt trời trong nền kinh tế quốc dân một cách hiệu quả Hướng tới sử dụng năng lượng sạch không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tận dụng nguồn năng lượng mặt trời dồi dào, siêu sạch, miễn phí và thân thiện với môi trường.

Tích hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện đang trở thành xu hướng phát triển toàn cầu nhằm khai thác nguồn năng lượng sạch và bảo vệ môi trường Các hệ thống này thường được áp dụng trong quy mô nhỏ, nhưng hiện nay đã được mở rộng cho các ứng dụng lớn với công suất hàng trăm mvar Việc kết hợp năng lượng mặt trời và gió với các nhà máy thủy điện, nhiệt điện là xu hướng tất yếu Nghiên cứu đã chỉ ra tính thiết thực của năng lượng gió và mặt trời khi tích hợp với các máy phát điện phân tán Đặc biệt, thiết kế bộ điều khiển nhằm giảm dao động và nâng cao độ ổn định hệ thống đóng vai trò quan trọng, do dao động có thể phát sinh từ sự thay đổi liên tục của tốc độ gió và cường độ ánh sáng mặt trời.

Kỹ thuật gán cực trong bộ điều khiển PID là một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả cao, giúp tăng cường tính ổn định cho hệ thống Việc gán chính xác các cực quan trọng ở vị trí mong muốn trên mặt phẳng phức có thể nâng cao độ ổn định của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng như bộ chỉnh lưu trong đường dây truyền tải điện một chiều cao áp Tại Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng mặt trời và năng lượng điện gió đã được triển khai, nhưng kết quả tích hợp các dạng năng lượng này với máy phát điện đồng bộ vẫn chưa đạt được sự thu hút đặc biệt Hơn nữa, việc thiết kế các bộ điều khiển nhằm nâng cao ổn định cho các hệ thống điện tích hợp vẫn còn hạn chế Do đó, sử dụng bộ điều khiển PID với kỹ thuật gán cực không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn phù hợp với chi phí và tính năng điều khiển.

Trong những năm gần đây, năng lượng mặt trời đã trở thành một đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ với năng lượng hóa thạch trên toàn cầu Khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và bền vững - nổi lên như một giải pháp an toàn và hiệu quả Nhiều quốc gia như Đức, Mỹ và Trung Quốc đã dẫn đầu trong việc sử dụng năng lượng mặt trời Tại Việt Nam, hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới đã được triển khai ở một số tỉnh như Ninh Thuận, Phú Yên và Trà Vinh Việc kết hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện quốc gia mang lại nhiều lợi ích kinh tế và giải pháp tiết kiệm nhiên liệu Tuy nhiên, bức xạ mặt trời thay đổi theo ngày và mùa, do đó cần có biện pháp để giảm thiểu sự dao động trong hệ thống.

Chính vì thế luận văn của tác giả ngoài việc đánh giá ổn định hệ thống có kết

Ba hợp năng lượng mặt trời tại Ninh Thuận đã được đề xuất, cùng với phương pháp nâng cao ổn định của hệ thống thông qua việc sử dụng thiết bị bù SVC Điều này nhằm đảm bảo hoạt động bình thường và tăng cường độ ổn định của hệ thống khi tích hợp điện mặt trời vào lưới điện quốc gia.

Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ngày nay, phần lớn điện năng được sản xuất bởi các máy phát điện đồng bộ, với nguồn cơ năng sơ cấp từ các động cơ tuabin hơi, tuabin nước hoặc tuabin vận hành qua năng lượng nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than, khí thiên nhiên và dầu mỏ tại các nhà máy nhiệt điện.

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, vô hạn và đóng vai trò quan trọng trong lưới điện quốc gia, giúp giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường Hiện nay, nhiều dự án điện mặt trời đang được đầu tư và triển khai tại Việt Nam nhằm bổ sung điện cho hệ thống điện.

Tích hợp nguồn năng lượng sạch này với các nhà máy phát điện lớn đang là xu hướng phát triển hiện nay của lưới điện quốc gia

Các giải pháp nhằm tăng tính ổn định của hệ thống phát điện tích hợp là rất quan trọng, đặc biệt khi sử dụng thiết bị bù SVC Việc này không chỉ đảm bảo hoạt động bình thường mà còn nâng cao độ ổn định của hệ thống khi đưa điện mặt trời vào lưới điện quốc gia.

Luận văn này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Điện, đặc biệt trong việc ứng dụng tính toán thiết kế lắp đặt hệ thống pin mặt trời Ngoài ra, nó cũng hỗ trợ nghiên cứu nâng cao khả năng điều khiển ổn định cho hệ thống lưới điện tích hợp năng lượng mặt trời.

Hệ thống điện mặt trời nối lưới đang đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển năng lượng sạch tại các tỉnh thành Việc tích hợp nguồn năng lượng này với các nhà máy phát điện lớn là xu hướng hiện nay trong việc nâng cao hiệu quả của lưới điện quốc gia.

Tác giả nghiên cứu việc triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời nhằm thúc đẩy việc sử dụng năng lượng tái tạo trong các hộ gia đình.

1.3 Xác định mục tiêu nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu là nâng cao ổn định cho hệ thống điện Ninh Thuận thông qua việc tích hợp năng lượng hòa lưới sử dụng thiết bị SVC Đối tượng nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện Ninh Thuận với sự tích hợp năng lượng hòa lưới.

1.4 Xác định nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài

Mô phỏng hệ thống điện Ninh Thuận tích hợp năng lượng mặt trời nối lưới có kết hợp thiết bị FACT bằng phần mềm Matlab

Nâng ổn định hệ thống điện Ninh Thuận có tích hợp năng lượng hòa lưới dùng thiết bị SVC

1.5 Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau:

Nghiên cứu lý thuyết về ổn định hệ thống điện bao gồm các khía cạnh như năng lượng mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống pin mặt trời, cũng như cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC (Static Var Compensator) Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của hệ thống điện trong bối cảnh sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng gia tăng.

Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab nhằm đánh giá sự ổn định của hệ thống điện Ninh Thuận với việc tích hợp năng lượng mặt trời Sử dụng các công cụ phần mềm để nâng cao hiệu quả trong việc phân tích và tối ưu hóa hệ thống điện năng lượng tái tạo.

Chương 2: Ổn định hệ thống điện

Chương 3: Mô hình toán học của hệ thống pin năng lượng mặt trời và thiết bị bù SVC

Chương 4: Mô phỏng lưới điện Ninh Thuận tích hợp năng lượng mặt trời kết hợp

SVC dùng phần mềm Matlab

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Xác định nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài

Mô phỏng hệ thống điện Ninh Thuận tích hợp năng lượng mặt trời nối lưới có kết hợp thiết bị FACT bằng phần mềm Matlab

Nâng ổn định hệ thống điện Ninh Thuận có tích hợp năng lượng hòa lưới dùng thiết bị SVC.

Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau:

Nghiên cứu lý thuyết về ổn định hệ thống điện bao gồm các khía cạnh như năng lượng mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống pin mặt trời, cũng như cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC (Static Var Compensator) Các lý thuyết này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và cải thiện hiệu suất của hệ thống điện, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo.

Mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab được xây dựng nhằm đánh giá và nâng cao ổn định cho hệ thống điện Ninh Thuận, trong đó có tích hợp năng lượng mặt trời Sự kết hợp này sử dụng các công cụ phần mềm hiện đại để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện.

Kế hoạch thực hiện

Chương 2: Ổn định hệ thống điện

Chương 3: Mô hình toán học của hệ thống pin năng lượng mặt trời và thiết bị bù SVC

Chương 4: Mô phỏng lưới điện Ninh Thuận tích hợp năng lượng mặt trời kết hợp

SVC dùng phần mềm Matlab

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Các khái niệm cơ bản

2.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ

HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng

Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:

Các phần tử tự lực đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng, bao gồm máy phát điện, đường dây tải điện và các thiết bị điện.

Các phần tử điều chỉnh có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và biến đổi trạng thái hệ thống điện, bao gồm việc điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle và máy cắt điện.

Mỗi phần tử của hệ thống điện (HTĐ) được xác định bởi các thông số vật lý, bao gồm tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp và hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Những thông số này không chỉ phản ánh tính chất vật lý của các phần tử mà còn liên quan đến sơ đồ liên lạc giữa chúng và các phương pháp tính toán khác Các thông số này thường được gọi là thông số của hệ thống điện.

Nhiều thông số của hệ thống điện (HTĐ) là các đại lượng phi tuyến, với giá trị phụ thuộc vào dòng công suất và tần số, như X, Y, độ từ hoá Trong nhiều bài toán thực tế, các thông số này có thể coi là hằng số, dẫn đến việc hình thành hệ thống tuyến tính Tuy nhiên, khi xem xét sự biến đổi của các thông số, hệ thống trở thành phi tuyến Dạng phi tuyến này chỉ cần được xem xét trong một số trường hợp cụ thể, chẳng hạn như khi tính đến độ bão hòa của máy phát và máy biến áp trong các bài toán ổn định.

Chế độ của hệ thống điều khiển (HTĐ) là tập hợp các quá trình diễn ra trong hệ thống này, giúp xác định trạng thái làm việc của HTĐ tại một thời điểm hoặc trong một khoảng thời gian nhất định.

Các quá trình trong hệ thống điện được đặc trưng bởi các thông số như U, I, P, Q, f, δ tại mọi điểm trong hệ thống Đây là các thông số chế độ, khác với thông số hệ thống vì chúng chỉ tồn tại khi hệ thống điện hoạt động Những thông số chế độ này hoàn toàn xác định trạng thái làm việc của hệ thống điện.

Các thông số trong chế độ quan hệ có sự liên kết thông qua các thông số HTĐ, trong đó nhiều mối quan hệ mang tính phi tuyến Một ví dụ điển hình là công thức P = U²/R, đại diện cho dạng phi tuyến thứ hai của HTĐ Dạng phi tuyến này không thể bị bỏ qua trong các bài toán điện lực.

Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:

Chế độ xác lập (CĐXL) là trạng thái mà các thông số dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình, có thể coi là hằng số trong thực tế Tuy nhiên, không có chế độ nào mà các thông số hoàn toàn bất biến theo thời gian, vì hệ thống động (HTĐ) gồm một số lượng lớn các phần tử luôn biến đổi, dẫn đến sự thay đổi liên tục của các thông số trong chế độ.

 CĐXL bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ

 CĐXL sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố

 Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì

- Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhiều Chế độ quá độ gồm có:

 Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang CĐXL bình thường khác

 Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố

2.1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ

 CĐXL bình thường, các yêu cầu là:

Để đảm bảo chất lượng điện năng, các thông số như điện áp và tần số cung cấp cho phụ tải cần phải nằm trong giới hạn quy định bởi các tiêu chuẩn chất lượng Việc này giúp duy trì sự ổn định và hiệu quả trong quá trình sử dụng điện năng.

Để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống điện, các phụ tải cần được cung cấp điện liên tục với chất lượng ổn định Mức độ liên tục này phải đáp ứng yêu cầu của các hộ sử dụng điện và điều kiện của hệ thống điện.

Chế độ thỏa mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng mang lại hiệu quả kinh tế cao, với chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng ở mức tối ưu nhất.

- Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện

 CĐXL sau sự cố, yêu cầu là:

Yêu cầu mục a có thể được giảm bớt, nhưng chỉ trong thời gian ngắn Sau đó, cần phải thực hiện biện pháp điều chỉnh thông số chế độ hoặc thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ trở về trạng thái CĐXL bình thường.

 Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là:

- Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố

Trong giai đoạn quá độ, các thông số như giá trị dòng điện ngắn mạch và điện áp tại các nút phụ tải khi xảy ra ngắn mạch đều biến đổi trong giới hạn cho phép.

- Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ

2.1.2 Khái niệm về ổn định HTĐ

2.1.2.1.Cân bằng công suất Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK) Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ

Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ:

Các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) không thể được xem xét một cách độc lập; luôn cần phải đánh giá mối quan hệ giữa chúng để đảm bảo tính chính xác và đầy đủ trong phân tích.

Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh

2.1.3.2.Ổn định động Ổn định động là khả năng hệ thống điện khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc rất gần chế độ ban đầu sau những kích động lớn (nhiễu lớn) [1]

Các kích động lớn có thể làm mất cân bằng công suất cơ - điện một cách đột ngột, dẫn đến dao động mạnh của công suất điện Nếu hệ thống điện có khả năng chịu đựng những kích động này mà không làm hỏng công suất điện, thì hệ thống được coi là có tính ổn định động.

Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại lâu dài

2.2 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh

2.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng

 Định nghĩa ổn định theo năng lượng

Một hệ thống đạt trạng thái ổn định khi có sự cân bằng giữa năng lượng phát ra và năng lượng tiêu thụ Mỗi trạng thái ổn định tương ứng với các thông số xác định tình trạng của hệ thống Tuy nhiên, nếu có sự nhiễu (kích động) làm thay đổi các thông số này theo hướng khuếch đại, hệ thống sẽ trở nên không ổn định Tình trạng này xảy ra khi năng lượng phát ra lớn hơn năng lượng tiêu tán Tiêu chuẩn năng lượng liên quan đến sự ổn định của hệ thống được mô tả qua bất đẳng thức cụ thể.

Với: –gia số thông số

W – năng lượng dư và W = WF - Wt

WF ,Wt – số gia năng lượng phát và tiêu tán

Xét hệ thống điện trên hình 2.1, theo tiêu chuẩn năng lượng thì hệ sẽ ổn định nếu:

Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản và sơ đồ tương đương

Tham số trạng thái bao gồm góc , trong đó năng lượng phát ra được xác định bởi công suất cơ PT (công suất tuabin), trong khi năng lượng tiêu tán chủ yếu là công suất máy phát đưa vào hệ thống Với giả thiết công suất PT không đổi, biểu thức trên có thể được điều chỉnh như sau:

Có thể kiểm định (2.5) bằng cách lập luận từ hình 2.2 sau:

Khi hệ thống ở trạng thái cân bằng tại điểm a với góc a, nếu góc a tăng lên, lực P lớn hơn lực PT sẽ khiến rôto bị hãm lại, đưa góc  trở về vị trí a Ngược lại, nếu góc  giảm, lực P nhỏ hơn lực PT sẽ làm rôto tăng tốc, dẫn đến góc  quay lại vị trí a Do đó, điểm a được xác định là điểm cân bằng và ổn định.

Hình 2.2 Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (đậm)

Tại điểm b, khi góc  tăng lên mức b +  do áp lực P nhỏ hơn áp lực PT, rôto sẽ tăng tốc và góc  sẽ tiếp tục gia tăng Do đó, điểm b được xác định là điểm cân bằng nhưng không ổn định.

Nếu hệ thống làm việc tại điểm c thì, giả sử góc c tăng tới c + , khi đó do P

Góc tiếp tục tăng khi PT tăng, trong khi nếu góc δc giảm một lượng Δδ do P > PT, góc δ sẽ tăng và quay về trị δc Điểm c được xác định là điểm giới hạn ổn định Đại lượng này được gọi là hệ số công suất đồng bộ, với chỉ số Eq tương ứng với công suất tính theo Eq trong trường hợp máy phát không có tự động điều chỉnh kích từ.

Điểm c trong góc tương ứng cho thấy rằng công suất cơ sẽ cắt công suất điện từ tại một điểm duy nhất Do đó, trong hệ thống đã cho, không thể nâng cao công suất cơ nữa vì không tồn tại chế độ làm việc của hệ Công suất điện từ tại điểm c được xác định như sau:

Miền làm việc ổn định của hệ tương ứng với nửa bên trái của đường cong trên (từ góc 0p/2)

2.2.2.Phương pháp dao động bé

Một hệ thống thường được mô tả bởi hệ phương trình vi phân sau:

Với x – vector trạng thái; u – vector ngõ vào của hệ (nhiễu)

Khai triển phương trình trên vào chuỗi Taylor vàbỏ qua các đạo hàm bậc cao hay viết dưới dạng ma trận:

Khi u = 0, có phương trình mô tả chuyển động tự do:

Giá trị riêng của ma trận thường được gán bởi các giá trị của tham số  khi không có lời giải tầm thường cho phương trình: A = 

A là ma trận nxn (đối với hệ thống vật lý như hệ thống điện)

Tìm trị riêng của A = theo phương trình: (A - I)  = 0

Khi nghiệm là không tầm thường thì: det(A - I) = 0

Việc khai triển định thức cho ra phương trình đặc trưng,m nghiệm  = 1, 2,

…,n gọi là những trị riêng của A

Quan hệ giữa nghiệm phương trình đặc trưng và ổn định:

- Khi nghiệm là thực sẽ có trạng thái không dao động Nếu nghiệm là thực dương tương ứng với mất ổn định không chu kỳ.

Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động

Khi nghiệm là phức, chúng xuất hiện dưới dạng cặp liên hợp và có trạng thái dao động Nếu nghiệm có phần thực dương, nó sẽ dẫn đến mất ổn định dao động.

2.3.Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động

Hệ thống điện bao gồm một máy phát được kết nối với thanh cái lớn thông qua hai đường dây truyền tải Thanh cái lớn này đại diện cho nguồn điện áp có biên độ và tần số không đổi.

Chúng ta sẽ khám phá các khái niệm cơ bản và nguyên lý của ổn định động thông qua việc phân tích phản ứng của hệ thống trước các kích động lớn, sử dụng mô hình đơn giản mà không tính đến điện trở của các phần tử Hệ thống tương ứng được thể hiện qua hình 2.3, với mô hình tương đương trong hình 2.4a và dạng rút gọn của mô hình hệ thống trong hình 2.4b Điện áp sau điện kháng quá độ (X’d) được ký hiệu là E’, trong khi góc rotor  là góc sớm pha của E’ so với EB Khi hệ thống bị kích động, biên độ của E’ không thay đổi so với thời điểm trước khi xảy ra sự cố, trong khi  sẽ thay đổi khi tốc độ rotor máy phát lệch khỏi tốc độ đồng bộ 0.

G X 1 Thanh cái vô cùng lớn

Hình 2.3 Mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn

(a) Mô hình mạch tương đương

(b) Mạch tương đương rút gọn

Hình 2.4 Biểu diễn hệ thống bằng mô hình máy phát cổ điển.

Quá trình quá độ cơ điện trong ngắn mạch diễn ra qua ba giai đoạn: trước, trong và sau ngắn mạch Để khảo sát sự ổn định động, cần thiết phải xây dựng các đường đặc tính công suất tương ứng.

 Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch

Công suất điện ngõ ra máy phát là:

Bỏ qua điện trở stator, Pe đại diện cho công suất khe hở không khí hay công suất đầu cực Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch được sử dụng để tính chế độ ban đầu Khi biết công suất tải P, Q, EB, cần tính E’, 0 (góc giữa E’ và EB) cùng với CSTD do máy phát phát ra ở chế độ ban đầu P0.

 Đặc tính công suất khi ngắn mạch

G X 1 Thanh cái vô cùng lớn

Hệ thống khi xảy ra ngắn mạch tại điểm F được mô tả qua sơ đồ X E’ X EB, bao gồm sơ đồ thay thế tương đương và sơ đồ tương đương rút gọn Hình 2.5 minh họa rõ ràng cả hai sơ đồ này trong bối cảnh ngắn mạch.

Trong sơ đồ thay thế tương đương, điểm ngắn mạch F có thêm điện kháng ngắn mạch XF, phụ thuộc vào dạng ngắn mạch Để tính đường đặc tính công suất, cần biến đổi sơ đồ 2.5b về dạng rút gọn là sơ đồ 2.5c bằng phương pháp biến đổi sao – tam giác.

Ta có: Đường đặc tính công suất sẽ là

Từ (2.8) có thể nhận thấy ảnh hưởng của các dạng ngắn mạch đến đường đặc tính công suất

Khi xảy ra ngắn mạch 3 pha, công suất điện phát ra sẽ bằng 0, dẫn đến việc PII trở thành vô hạn và hoàn toàn cắt đứt liên lạc giữa máy phát và thanh cái nhận điện Tuy nhiên, trên đồ thị, PII không hoàn toàn bằng 0 mà có giá trị rất nhỏ do tổn thất CSTD từ điện trở của stator máy phát, máy biến áp và đường dây kết nối từ máy phát đến vị trí ngắn mạch.

Khi xảy ra sự cố 2 pha chạm đất, mức độ liên lạc thường rất kém, dẫn đến đường đặc tính công suất có biên độ thấp hơn so với trường hợp ngắn mạch 2 pha hoặc 1 pha chạm đất.

So sánh PII và PI ta thấy PImax > PIImax vì XT < X’T

Hình 2.6 Đồ thị đặc tính công suất

 Đường đặc tính công suất sau khi cắt ngắn mạch

Sau khi cắt ngắn mạch, đường dây bị ngắn mạch được cắt ra khỏi hệ thống, đường dây tải điện chỉ còn lại 1 lộ (hình 2.7)

Hình 2.7 Sơ đồ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch Đường đặc tính công suất:

Biên độ của PIII sẽ nằm giữa PI và PII

Xét một hệ thống làm việc ổn định với hai đường dây truyền tải, mối quan hệ giữa góc và công suất được thể hiện trên đường cong Khi công suất cơ ngõ vào Pm bằng công suất điện ngõ ra Pe, điểm làm việc ổn định được biểu diễn bởi điểm a trên đường cong, với góc rotor tương ứng là a.

Hình 2.8 Mối quan hệ góc – công suất

Khi một trong hai đường dây bị cắt khỏi hệ thống, điện kháng XT sẽ tăng lên, dẫn đến việc công suất cực đại bị giảm Mối quan hệ giữa góc và công suất được thể hiện trên đường cong 2 trong hình 2.8 Với công suất cơ ngõ vào Pm, góc rotor tương ứng là δb tại điểm làm việc b trên đường cong 2 Do điện kháng lớn hơn, góc rotor cũng cần lớn hơn để có thể truyền tải cùng một lượng công suất.

Trong thời gian xảy ra sự cố, góc  có sự thay đổi nhưng độ biến thiên tốc độ (r d/dt) rất nhỏ so với tốc độ đồng bộ 0 Vì vậy, trong thực tế, tốc độ máy phát có thể được coi là không đổi.

Momen đầu cực máy phát tính trong hệ đơn vị tương đối (pu) được coi là bằng công suất đầu cực máy phát (pu) Do đó, chúng ta có thể thay đổi momen và công suất qua lại khi đề cập đến phương trình chuyển động của rotor.

 Phương trình chuyển động rotor

= công suất điện cực đại (pu)

= hằng số quán tính (MWs/ MVA)

 Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ Pm

Hệ thống đang hoạt động ổn định với hai đường dây truyền tải sẽ được phân tích chế độ quá độ khi công suất cơ đột ngột tăng từ giá trị ban đầu Pm0 lên Pm1 Do quán tính của rotor, góc rotor không thể thay đổi ngay lập tức từ giá trị ban đầu 0 đến 1, tương ứng với điểm cân bằng mới b, tại đó Pe = Pm1 Khi đó, công suất cơ lớn hơn công suất điện, dẫn đến momen tăng tốc giúp rotor tăng tốc từ điểm làm việc ban đầu a đến điểm cân bằng mới b, trượt theo đường cong Pe -  với tỷ lệ xác định bởi phương trình chuyển động Độ chênh lệch giữa Pm1 và Pe tại một thời điểm bất kỳ được gọi là công suất tăng tốc.

Hình 2.9 Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ

Khi đạt đến điểm b, công suất tăng tốc giảm xuống 0, trong khi tốc độ rotor vẫn vượt quá tốc độ đồng bộ 0, dẫn đến việc góc rotor tiếp tục gia tăng Đối với các giá trị của  lớn hơn 1, tình trạng này sẽ tiếp diễn.

Pin mặt trời

3.1.1 Giới thiệu về pin mặt trời

Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện trong bán dẫn Loại pin phổ biến nhất hiện nay sử dụng silic tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn kém dẫn điện do các điện tử bị giữ chặt bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi được kích thích bởi ánh sáng hoặc nhiệt độ, các điện tử thoát khỏi liên kết, tạo ra điện tử âm di chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, đồng thời để lại lỗ trống dương trong vùng hóa trị, từ đó cho phép chất bán dẫn dẫn điện.

Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:

Một tinh thể hay đơn tinh thể module có hiệu suất lên tới 16% Loại đơn tinh thể này thường có giá cao do được cắt từ các ống hình trụ, và các tấm đơn tinh thể này có mặt trống ở các góc nối giữa các module.

Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi đúc silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Mặc dù loại pin này thường có giá thành rẻ hơn so với loại đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của nó lại kém hơn Tuy nhiên, ưu điểm của đa tinh thể là khả năng tạo ra các tấm vuông che phủ bề mặt lớn hơn, giúp bù đắp cho hiệu suất thấp của nó.

Dải Silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này thường có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó cũng là lựa chọn rẻ nhất vì không cần cắt từ khối Silicon.

Pin quang điện là một loại điốt bán dẫn, bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N được đặt sát nhau Điểm khác biệt của pin quang điện so với các loại điốt khác là diện tích bề mặt rộng, giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng hiệu quả hơn.

Pin quang điện có lớp N cực mỏng cho phép ánh sáng truyền qua, với một lớp chống phản xạ trên bề mặt Khi ánh sáng chiếu vào, một phần bị hấp thụ qua lớp N, một phần phản xạ ngược, và phần còn lại đến lớp chuyển tiếp, nơi hình thành các cặp electron và lỗ trống trong điện trường Các bước sóng thích hợp cung cấp năng lượng cho electron để thoát khỏi liên kết Dưới tác dụng của điện trường, electron được kéo về phía bán dẫn loại N, trong khi lỗ trống di chuyển về phía bán dẫn loại P.

N và P sẽ đo được hiệu điện thế, giá trị này phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn và các tạp chất được hấp phụ.

3.1.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:

Tại điểm làm việc U = UOC/ I = 0 và U = 0 / I = ISC , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0

Hình 3.1 Đường đặt tính làm việc U – I của pin mặt trời

Hình 3.2 Sơ đồ tương đương pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng của pin như sau: s h kT s

Isc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m 2 )

I01 là dòng bão hòa (A/m 2 ) q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10 -19 k là hệ số Boltzman = 1,38.10 -23 (J/k)

I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs và Rsh của pin trong mạch tương đương ở hình 3.3

Dòng ngắn mạch Isc tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng, do đó đường đặc tính V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ này Tại mỗi mức bức xạ, chỉ có một điểm làm việc V = VMPP đạt công suất lớn nhất, được thể hiện bằng điểm chấm đen to trên hình vẽ, tương ứng với đỉnh của đường cong đặc tính.

Hình 3.3 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ Mặt trời

Điện áp hở mạch Voc của pin mặt trời có sự phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ, do đó, đường đặc tính VA của pin cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hoạt động của nó.

- Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin

Trong hình 3.5, đường đặc tính tải của pin mặt trời được thể hiện qua các đường OA và OB Khi tải được kết nối trực tiếp với dãy pin mặt trời, đường đặc tính tải sẽ là OA, tại đó pin hoạt động ở điểm A1 và phát ra công suất P1 Để đạt được công suất tối đa P2 từ ánh sáng mặt trời, cần có một bộ điều chỉnh công suất để kết nối giữa dãy pin mặt trời và tải.

3.1.3 Tấm năng lượng mặt trời

Tấm năng lượng mặt trời được cấu thành từ nhiều pin mặt trời nối tiếp, chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng Mỗi pin cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng khi nhiều pin được lắp đặt trên một diện tích lớn, chúng tạo ra nguồn năng lượng đủ cho các thiết bị điện Công suất của các pin mặt trời đa dạng, từ 30Wp đến 150Wp, với điện áp thường là 12VDC Hệ thống điện năng phụ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin, có thể ghép nối tiếp hoặc song song để tạo thành một dàn pin mặt trời Để đạt hiệu suất tối ưu, các tấm năng lượng cần được phơi nắng và hướng trực tiếp về phía mặt trời.

Hiệu suất thu điện năng từ pin mặt trời thay đổi theo thời gian trong ngày và theo từng vùng miền, do bức xạ mặt trời không đồng đều trên bề mặt trái đất Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời, bao gồm góc chiếu sáng, thời tiết, và chất lượng của pin.

- Chất liệu bán dẫn làm pin

-Vị trí đặt các tấm panel mặt trời

- Thời tiết khí hậu, mùa trong năm

- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều

Các tấm năng lượng mặt trời được thiết kế để chịu đựng các điều kiện khí hậu khắc nghiệt, bao gồm mưa bão, sự ăn mòn từ nước biển và quá trình oxi hóa Với tuổi thọ ước tính từ 25 đến 30 năm, các tấm pin này mang lại hiệu quả bền vững cho nguồn năng lượng tái tạo.

3.1.4 Cách ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời

Các mô-đun pin mặt trời được sản xuất với công suất và hiệu điện thế xác định Để đạt được công suất và điện thế mong muốn, cần ghép nối nhiều tấm mô-đun lại với nhau Có hai phương pháp ghép nối cơ bản để thực hiện điều này.

- Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

- Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn

Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện

 Phương pháp ghép nối các tấm modul mặt trời

Hình 3.6 Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b)

Thiết bị bù tĩnh SVC

Thiết bị bù tĩnh có dung lượng thay đổi (SVC) là một thiết bị bù công suất phản kháng hoạt động nhanh trong lưới truyền tải điện áp cao SVC thuộc nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS), được sử dụng để điều chỉnh điện áp và nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện Thiết bị này sử dụng công nghệ điện tử công suất để điều chỉnh thông số mà không cần máy cắt hay dao cách ly SVC tự động điều chỉnh điện kháng, giúp duy trì điện áp tại các nút lắp đặt Khi hệ thống thừa công suất phản kháng, SVC sẽ hoạt động như kháng bù ngang, tiêu thụ công suất phản kháng và hạ thấp điện áp Ngược lại, khi hệ thống thiếu công suất phản kháng, các tụ bù ngang sẽ tự động được kích hoạt, bơm thêm công suất phản kháng vào hệ thống và cải thiện điện áp tại nút điều chỉnh.

Một SVC điển hình bao gồm các tụ bù ngang được cắt riêng biệt, kết nối với cuộn dây điện cảm điều chỉnh bằng thyristor, cho phép thay đổi liên tục điện kháng đẳng trị Nhờ vào việc điều chỉnh góc dẫn của thyristor, công suất phản kháng của lưới điện có thể được bơm vào hoặc hút đi một cách linh hoạt Cấu trúc này cho phép các tụ điện điều chỉnh thô, trong khi các TCR điều chỉnh giá trị cảm kháng, tạo ra giá trị điện kháng đẳng trị liên tục Để đạt được sự điều chỉnh mượt mà hơn, có thể sử dụng bộ tụ điện được cắt bằng thyristor (TCCS) Thyristor, thiết bị điều chỉnh tĩnh bằng điện, phát sinh nhiệt và cần được làm mát bằng nước khử ion Các tải cảm kháng thay đổi nhanh trong mạch, như lò điện, có thể làm biến đổi dạng sóng điện áp, do đó, bộ lọc sóng điện tử công suất lớn được sử dụng để làm mượt sóng điện áp Các bộ lọc sóng điều hòa này cũng có tính dung, cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện.

Các thiết bị SVC thường được lắp đặt tại những khu vực yêu cầu điều chỉnh điện áp chính xác Quá trình điều chỉnh điện áp thường sử dụng các bộ điều khiển có phản hồi (closed-loop) và có thể được thực hiện từ xa thông qua hệ thống SCADA hoặc điều chỉnh thủ công theo giá trị đã được đặt.

SVC được đề xuất trong phần này nhằm điều chỉnh điện áp tại PCC bằng cách cung cấp lượng công suất phản kháng phù hợp cho các hệ thống điện.

Sơ đồ mạch tương đương của SVC được thể hiện trong hình 3.8 Hình 3.9 cho thấy sơ đồ khối điều khiển điện nạp BSVC của SVC

Khi điện áp hệ thống thấp hơn giá trị tham chiếu, BSVC của SVC sẽ cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống Ngược lại, khi điện áp hệ thống cao hơn giá trị tham chiếu, BSVC của SVC sẽ hấp thụ công suất phản kháng từ hệ thống điện Trong trạng thái hoạt động cân bằng của hệ thống điện, phương trình điều khiển BSVC của SVC theo góc kích α được thiết lập như sau:

(3.11) Ở đây XL và XC là điện kháng của điện cảm và tụ điện của SVC tương ứng

Hình 3.8 Sơ đồ khối của SVC

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển của SVC