Lý do ch ọn đề tài
Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trong thời đại khoa học kỹ thuật, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt và thủy điện đang dần cạn kiệt Những nguồn năng lượng này không chỉ gây ô nhiễm môi trường, mà còn dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, tăng nhiệt độ toàn cầu và suy giảm tầng ozone Do đó, việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo như năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng sinh khối là vô cùng cần thiết để bảo vệ môi trường và đáp ứng nhu cầu năng lượng bền vững.
Nghiên cứu năng lượng mặt trời đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học do tình trạng thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng hiện nay Đây là nguồn năng lượng sạch, dồi dào, không gây ô nhiễm môi trường và tiếng ồn Hiện tại, năng lượng mặt trời đã được áp dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày cũng như trong ngành công nghiệp, với nhiều hình thức sử dụng khác nhau.
Hệ thống pin năng lượng mặt trời kết nối lưới điện không chỉ cung cấp năng lượng cho tải địa phương mà còn tạo điều kiện cho việc trao đổi công suất với lưới điện, mang lại nhiều ưu điểm và tăng độ tin cậy cung cấp điện Tuy nhiên, hệ thống này cũng có thể gây ra những vấn đề tiêu cực như an toàn, quá áp, dao động công suất, sóng hài và dao động tần số Việc phân tích và đánh giá các ảnh hưởng đến lưới khi kết nối hệ thống năng lượng mặt trời là bước quan trọng đầu tiên, giúp các nhà khoa học đề ra các biện pháp giải quyết hiệu quả.
“Nghiên cứu mô hình PV kết nối lưới điện phân phối Đánh giá tác động sóng hài của hệ thống PV đến lưới điện”.
M ục đích, đối tượ ng, ph ạ m vi nghiên c ứ u c ủ a lu ận văn
Mục đích nghiên cứu là khảo sát các mô hình ứng dụng pin năng lượng mặt trời và áp dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới điện Nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng của sóng hài khi hệ thống pin năng lượng mặt trời được kết nối vào lưới điện Đối tượng nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện phân phối có tích hợp năng lượng mặt trời.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về ảnh hưởng sóng hài đến lưới điện mẫu IEEE –
13 nút khi kết nối nguồn PV Ứng dụng bộ lọc sóng hài thụ động vào hệ thống điện phân phối có kết nối PV
N ộ i dung chính và b ố c ụ c lu ận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn này được trình bày trong 3 chương, cụ thể:
Chương 2 Mô hình mô phỏng hệ thống PV nối lưới bằng Matlab/Simulink
Chương 3 Đánh giá ảnh hưởng về sóng hài của PV đối với lưới điện
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để thực hiện xây dựng mô hình, mô phỏng và tính toán chỉ số sóng hài THDv
K ế t lu ậ n
Các kết quả của nghiên cứu đã chỉ ra được mức độ ảnh hưởng sóng hài của nguồn
Khi kết nối hệ thống điện mặt trời (PV) với lưới điện phân phối, việc kiểm tra tác dụng lọc sóng hài của bộ lọc sóng hài thụ động trở nên quan trọng để đảm bảo chất lượng điện năng Bộ lọc này giúp giảm thiểu sóng hài, cải thiện hiệu suất hoạt động của lưới điện có kết nối với PV.
Góp phần vào các nghiên cứu sau có liên quan đến các phương pháp lọc sóng hài áp dụng cho lưới điện có kết nối PV
TỔ NG QUAN CHUNG
M ở đầ u
Năng lượng đóng vai trò thiết yếu trong sự phát triển của mỗi quốc gia Hiện nay, nhu cầu về nguồn năng lượng tái tạo đang gia tăng mạnh mẽ, bởi vì các nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường như hiệu ứng nhà kính và lũ lụt.
Tổng tiêu thụ năng lượng toàn cầu hiện nay đạt khoảng 15 nghìn tỷ Watt, bao gồm tất cả các nguồn năng lượng như dầu hỏa, than đá và thủy điện Con số này chỉ tương đương khoảng 1/5000 công suất dự trữ của năng lượng mặt trời trên Trái đất.
Con người hiện đang tiêu thụ khoảng 15 nghìn tỷ Watt năng lượng, trong đó 37% đến từ dầu hỏa, 25% từ than đá và 23% từ khí đốt, tổng cộng ba nguồn này chiếm 85% tổng năng lượng sử dụng Đây đều là những nguồn năng lượng cạn kiệt nhanh chóng và không thể tái tạo.
Với tốc độ khai thác hiện tại, nguồn năng lượng hóa thạch sẽ cạn kiệt trong thế kỷ 21, khiến tương lai năng lượng thế giới phải chuyển hướng sang năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió và thủy năng Tuy nhiên, tổng trữ lượng của các nguồn năng lượng tái tạo này chỉ chiếm khoảng 1% so với năng lượng mặt trời Do đó, năng lượng mặt trời chính là tương lai của năng lượng toàn cầu Tại Việt Nam, vị trí địa lý gần đường xích đạo mang lại nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình đạt từ 4 đến 5 kWh/m² mỗi ngày.
B ảng 1.1: Mật độ năng lượng mặt trời trung bình năm và số giờ nắng theo khu vực.[2]
Khu vực Cường độ bức xạ mặt trời (kWh/m 2 /ngày)
Số giờ nắng trung bình năm (giờ/năm)
4 Nam Trung Bộ và Tây Nguyên 4,9-5,7 2000-2600
B ảng 1.2: Công suất lắp đặt điện từ Năng lượng tái tạo giai đoạn 2011-2030 [3]
Năm Công suất lắp đặt (MW) Năm Công suất lắp đặt (MW)
Mặc dù năng lượng mặt trời có tiềm năng lớn, nhưng vẫn gặp phải nhiều rào cản kỹ thuật và phi kỹ thuật Rào cản kỹ thuật, bao gồm giá thành cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp, là thách thức lớn nhất hiện nay Thêm vào đó, sự thiếu hỗ trợ từ chính phủ, nhận thức hạn chế của cộng đồng và sự tham gia kém của các tổ chức vào các dự án năng lượng tái tạo cũng cản trở sự phát triển Để vượt qua những rào cản này, nhiều giải pháp đã được triển khai, đặc biệt là trong việc giảm giá thành và nâng cao hiệu suất của pin mặt trời Các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất đang phát triển công nghệ sản xuất pin hiện đại và cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng thông qua các phương pháp sản xuất và sử dụng pin hiệu quả hơn.
H ệ th ố ng PV s ử d ụng năng lượ ng m ặ t tr ờ i
1.2.1 Tổng quan về hệ thống PV
Hệ thống điện năng lượng mặt trời chủ yếu bao gồm các tấm pin mặt trời (pin quang điện), có chức năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi quang năng thành điện năng Điện năng này có thể được đưa vào lưới điện hoặc lưu trữ trong ắc quy để sử dụng độc lập Để sử dụng điện năng, hệ thống sẽ chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuyển đổi điện nối lưới (inverter).
Tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng mà hệ thống điện năng lượng mặt trời được phân ra làm 2 giải pháp chính:
- Hệ thống PV hoạt động độc lập
- Hệ thống PV kết nối lưới
• Hệ thống PV hoạt động độc lập
Hệ thống này sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng điện từ các tế bào quang điện, cho phép tòa nhà hoạt động độc lập mà không cần kết nối với lưới điện Tuy nhiên, hệ thống PV độc lập thường phức tạp và tốn kém hơn, đồng thời yêu cầu bảo trì thường xuyên, như việc bổ sung nước cho ắc quy.
Hình 1.1: Mô hình h ệ thống PV hoạt động độc lập
Các thành phần của hệ thống PV hoạt động độc lập:
Pin mặt trời là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống điện mặt trời độc lập, có chức năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng để lưu trữ trong ắc quy Kích thước của pin được điều chỉnh phù hợp với nhu cầu sử dụng hàng ngày, đảm bảo cung cấp đủ năng lượng ngay cả trong những tháng có cường độ ánh sáng mặt trời thấp.
Ắc quy đóng vai trò quan trọng trong việc dự trữ năng lượng điện cho những lúc ban đêm hoặc khi thời tiết nhiều mây Ngoài ra, ắc quy còn hỗ trợ bơm công suất từ hệ thống năng lượng mặt trời (PV) khi nhu cầu tiêu thụ điện tăng cao.
Bộ điều khiển sạc MPPT đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý quá trình sạc và xả của ắc quy Nó điều chỉnh dòng điện và điện áp cung cấp vào ắc quy trong quá trình sạc, đồng thời bảo vệ pin khỏi tình trạng sạc quá mức, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của ắc quy.
- Máy phát d ự phòng: Cung cấp thêm năng lượng trong những khoảng thời gian nhiều mây hoặc nhu cầu của phụ tải tăng
Bộ nghịch lưu (Inverter) là thiết bị chuyển đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều, phục vụ cho các thiết bị điện trong gia đình Ngoài ra, nó còn có khả năng biến đổi năng lượng xoay chiều thành một chiều để nạp ắc quy, ví dụ như chuyển đổi nguồn một chiều 12V/24V/48V thành nguồn xoay chiều 110V/220V/230V.
- T ải xoay chiều: Chủ yếu là các thiết bị dùng điện trong gia đình 120V hoặc 240V
+) Ưu điểm: Hoạt động độc lập, phù hợp cho những nơi chưa có điện lưới, điện lưới không ổn định hoặc giá thành cao
+) Nhược điểm: Giá thành đắt và chi phí bảo dưỡng cho ắc quy cao; Tuổi thọ bình ắc quy từ 3 – 4 năm phải thay mới; Tổn thất nhiều,…
• Hệ thống PV kết nối lưới (Grid-connected PV)
Hình 1.2: Mô hình hệ thống PV kết nối lưới
Hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng bộ chuyển đổi điện nối lưới (inverter) để biến đổi nguồn điện một chiều (DC) từ các tấm pin thành nguồn điện xoay chiều (AC) Bộ chuyển đổi này được trang bị công nghệ dò tìm Điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm tối ưu hóa lượng điện năng thu được từ ánh sáng mặt trời.
Hệ thống sẽ đồng bộ hóa pha và kết nối giữa năng lượng mặt trời và lưới điện, ưu tiên sử dụng điện mặt trời để cung cấp trực tiếp cho tải.
- Khi công suất hòa lưới bằng công suất tải thì tải sẽ tiêu thụ hoàn toàn điện từ hệ thống điện NLMT
- Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất hòa lưới thì tải sẽ lấy thêm lưới bù vào
- Khi công suất tải tiêu thụ nhỏ hơn công suất hòa lưới, lượng điện thừa sẽ đẩy lên công tơ điện và được công tơ điện 2 chiều ghi nhận
Lượng điện dư sẽ được điện lực mua lại Đây cũng chính là hiệu quả nổi bật của hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
Điện mặt trời cục bộ mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, trong đó có cơ chế thông minh giúp giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của thời tiết đến chất lượng điện năng.
Hệ thống này gặp phải một số nhược điểm do việc sử dụng nhiều thiết bị phụ trợ, bao gồm chi phí bảo trì cao và hiệu suất chuyển đổi không đạt yêu cầu.
Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới:
Hình 1.3: Mô hình h ệ thống năng lượng mặt trời nối lưới
Hình 1.4: C ấu tạo pin mặt trời
Thiết bị bán dẫn chứa nhiều diod p-n có khả năng tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, quá trình này được gọi là hiệu ứng quang điện.
Theo nguyên lý quang điện, ánh sáng từ pin mặt trời được chuyển đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Công suất và điện áp của hệ thống phụ thuộc vào cách nối ghép các tấm pin Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển, thiết bị điện tử tự động quản lý quá trình nạp và phóng điện cho ắc-quy Nếu công suất pin đủ lớn, bộ chuyển đổi điện sẽ được lắp thêm để chuyển DC thành AC, cho phép sử dụng nhiều thiết bị điện gia dụng như đèn, quạt, radio và TV.
Các tấm pin mặt trời được thiết kế đặc biệt để lắp đặt ngoài trời, nhằm tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời Chúng được chế tạo từ những vật liệu bền bỉ, có khả năng chịu đựng tốt trước các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, bao gồm khí hậu và nhiệt độ khác nhau.
• Ắc-quy lưu trữ điện – Solar Baterry:
Ắc-quy là thiết bị lưu trữ điện, phục vụ cho việc sử dụng vào ban đêm hoặc trong điều kiện ánh sáng yếu Có nhiều loại ắc-quy như ắc-quy nước axit, ắc-quy miễn bảo dưỡng MF, ắc-quy kín khí VRLA, và ắc-quy khô (gel, cadimi, niken), với kích thước và dung lượng khác nhau, tính bằng AH Lựa chọn ắc-quy phụ thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời; hệ thống có công suất lớn cần ắc-quy có dung lượng lớn hoặc nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau.
• Bộ điều khiển sạc – Charger controller (Solar):
Hình 1.5: Nguyên lý ho ạt động bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc là thiết bị quan trọng giúp quản lý quá trình sạc điện từ tấm pin mặt trời vào ắc-quy, đảm bảo dòng điện nạp ổn định và bảo vệ ắc-quy khỏi tình trạng nạp quá tải cũng như xả quá sâu Điều này không chỉ nâng cao tuổi thọ của ắc-quy mà còn giúp hệ thống pin mặt trời hoạt động hiệu quả và bền bỉ hơn.
Sóng hài trong h ệ th ống điệ n
1.3.1 Tổng quan về sóng hài
Sóng điều hòa được hình thành từ sự tổng hợp các sóng sin có tần số là bội số của tần số cơ bản Nếu bội số là số nguyên, chúng được gọi là hài (harmonic), trong khi bội số không phải là số nguyên được gọi là hiện tượng âm hài (interharmonic) Nói cách khác, một sóng điều hòa bất kỳ có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của sóng thành phần cơ bản và các thành phần điều hòa bậc cao hơn.
Hình 1.6: D ạng sóng điều hòa bất kì
Hình 1.7: Các thành ph ần của sóng điều hòa
Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành thành phần thứ tự thuận, nghịch, không:
Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11…
Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hòa bậc 2, 5, 8…
Trong hệ thống điện không cân bằng, các sóng điều hòa bậc 3, 6, 9 có thể xuất hiện do điện áp không cân bằng và tải không đối xứng giữa các pha Mỗi sóng điều hòa này mang một trong ba thành phần thứ tự không, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và hiệu suất hệ thống.
Sóng điều hòa bậc cao có tác động trực tiếp đến chất lượng lưới điện và cần được chú ý khi tổng sóng điều hòa vượt quá mức cho phép Sóng điều hòa bậc cao là dòng điện có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản, ví dụ như dòng 250 Hz trên lưới 50 Hz là dòng điều hòa bậc 5 Dòng 250 Hz không thể sử dụng cho các thiết bị trên lưới, dẫn đến việc nó chuyển hóa thành nhiệt năng và gây tổn hao.
Sử dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T (Hz) hay ω=2πf (rad/s) có thể biểu diễn một sóng điều hòa với biểu thức như sau: f(ωt) =a 0
Fn : biên độ của sóng điều hòa bậc n
F 1 sin(nωt +Ψ n ) : thành phần sóng cơ bản
Fnsin(nωt +Ψ n ) : thành phần sóng điều hòa bậc n Ψn: góc pha của sóng điều hòa bậc n
Ta có thể viết như sau:
F n sin(nωt +Ψ n ) = F n (sinnωt cosΨ n + cosnωt sinΨ n )
Ta quy ước như sau:
Hình 1.8: Phân tích F n thành a n và b n
Khi đó ta có thể viết như sau: f(ωt) =a 0
Hay: f(ωt) = a 2 0 +∑ ∞ n=1 �a n cos( 2πnt 𝑇𝑇 ) + b n sin( 2πnt 𝑇𝑇 )�
Một tham số quan trọng để đánh giá sóng điều hòa là hệ số méo dạng (Total Harmonic Distortion – THD):
X1: là thành phần cơ bản.
Xn: là biên độ thành phần điều hòa bậc n.
Từ công thức đã nêu, chúng ta có thể xác định độ méo của dòng điện và điện áp thông qua hệ số méo của dạng dòng điện và hệ số méo của dạng điện áp.
• Hệ số méo dạng dòng điện:
I1: là biên độ dòng điện cơ bản.
In: là biên độ dòng điện điều hòa bậc n.
• Hệ số méo dạng điện áp:
U1: là biên độ điện áp cơ bản.
Un: là biên độ điện áp điều hòa bậc n
1.3.2 Nguyên nhân sinh ra sóng hài
Các nguồn sinh sóng điều hòa trong công nghiệp chủ yếu đến từ các tải phi tuyến như lõi thép của MBA, động cơ với đặc tính bão hòa của vật liệu sắt từ, và các thiết bị bán dẫn công suất như thyristor và diode trong các bộ biến đổi Những nguồn này bao gồm các đèn điện tử, thiết bị hàn, hệ thống truyền động điện, cũng như các lò hồ quang điện, lò nấu thép cảm ứng và lò tôi cao tần.
Hình 1.9: Hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến áp
Hiện tượng bão hòa mạch từ trong máy biến áp lực có thể tạo ra sóng điều hòa bậc cao Để duy trì điện áp hình sin, từ thông hình sin cần được sinh ra từ dòng điện kích từ Khi biên độ điện áp và từ thông đạt đủ mức, nó sẽ rơi vào vùng không tuyến tính trong đường cong B-H.
H sẽ gây ra sự méo dòng điện từ và tạo ra các sóng điều hòa bậc cao Ngoài ra, các máy biến áp (MBA) cũng phát sinh sóng điều hòa khi hoạt động ở điện áp cao hơn mức định mức.
Tương tự như MBA, động cơ xoay chiều khi hoạt động tạo ra sóng điều hòa dòng điện bậc cao Các sóng này chủ yếu phát sinh từ máy điện quay, liên quan đến biến thiên của từ trở do khe hở giữa roto và stato Máy điện đồng bộ có khả năng sản sinh sóng điều hòa bậc cao nhờ vào hình dạng từ trường, sự bão hòa trong mạch chính, các đường rò, và dây quấn được thiết kế để giảm dao động không đối xứng.
• Thiết bị điện tử công suất:
Các bộ biến đổi điện tử công suất như chỉnh lưu, nghịch lưu và điều áp xoay chiều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor, MOSFET, IGBT và GTO Những phần tử phi tuyến này là nguyên nhân chính gây ra sóng điều hòa bậc cao trong hệ thống.
Cấu trúc của các bộ biến đổi ảnh hưởng đến sóng điều hòa sinh ra Mạch chỉnh lưu trong biến tần thường sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha, có ưu điểm đơn giản và giá thành thấp, nhưng lại tạo ra nhiều sóng điều hòa Để giảm thiểu sóng điều hòa, có thể kết hợp hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép bốn bộ chỉnh lưu cầu ba pha để tạo thành bộ chỉnh lưu 24 xung, giúp cho dòng điện trở nên mượt mà hơn và giảm các thành phần điều hòa Tuy nhiên, việc tăng số van trong mạch chỉnh lưu để giảm sóng điều hòa có thể gây ra một số bất lợi như kích thước lớn, trọng lượng nặng, điều khiển phức tạp, tổn thất công suất và sinh ra sóng điều hòa bậc cao khi tải không đối xứng hoặc điện áp không ổn định.
Sóng hài trong hệ thống điện chủ yếu xuất phát từ các bộ biến đổi công suất tĩnh, thường được sử dụng làm bộ chỉnh lưu cho nhiều chu trình công nghiệp Những bộ biến đổi này ngày càng trở nên phổ biến trong thực tế Bên cạnh đó, thiết bị điện tử công suất cũng được áp dụng rộng rãi như một giải pháp để điều chỉnh điện áp cho tải, ví dụ như khởi động mềm cho động cơ và các thiết bị điều chỉnh điện áp như SVC.
Khi tỷ lệ tải phi tuyến trong tổng tải của lưới công nghiệp hoặc hệ thống điện ngày càng tăng, việc nghiên cứu và thiết kế cũng như vận hành hệ thống trở nên ngày càng quan trọng.
Bất kỳ tải hoặc thiết bị nào không tạo ra dòng điện hình sin khi được kích thích bởi điện áp hình sin cùng tần số đều được coi là tải phi tuyến Tải phi tuyến là nguồn phát sinh sóng hài, với tần số sóng hài thường là bội số của tần số hệ thống Dòng điện không hình sin có thể xuất phát từ đặc tính của tải hoặc do mạch đóng cắt, chẳng hạn như bộ biến đổi 6 xung Trong lưới điện công nghiệp và lưới phân phối, có nhiều nguồn sóng hài phân bố trong hệ thống.
1.3.3 Ảnh hưởng của sóng hài
Sóng hài trong hệ thống điện có thể gây tổn thất và ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Nếu không được kiểm soát, sóng hài có thể làm hỏng các thiết bị điện, dẫn đến chi phí cao cho hệ thống Ảnh hưởng của sóng hài đến điện áp và dòng điện là rõ rệt, trong đó dòng điện không sin có thể thấy được trong quá trình vận hành thiết bị Đối với điện áp, sóng hài thường làm suy giảm cách điện, từ đó giảm tuổi thọ của thiết bị Một số tác động tiêu cực do sóng hài gây ra cần được lưu ý.
• Tăng tổn thất trong các thiết bị, cáp, đường dây, vv…
• Giảm tuổi thọ của các thiết bị do làm cách điện kém đi
• Làm tăng tiếng ồn hoặc độ rung với các máy điện
• Khiến các thiết bị nhạy cảm với dạng sóng hoạt động sai lệch
• Làm tăng dòng điện và điện áp quá lớn do cộng hưởng
1.3.4 Sóng hài do kết nối nguồn điện phân tán sinh ra trong lưới điện
Kết nối các nguồn điện phân tán vào lưới điện mang lại cả lợi ích và thách thức, tùy thuộc vào đặc tính hoạt động của lưới phân phối và nguồn điện phân tán Ảnh hưởng của nguồn điện phân tán được xác định bởi loại nguồn, phương pháp kết nối với lưới, kích thước của nguồn, cũng như tổng công suất so với hệ thống điện.
MÔ HÌNH MÔ PHỎ NG H Ệ TH Ố NG PV N ỐI LƯỚ I B Ằ NG MATLAB/SIMULINK
M ở đầ u
Phần mềm Matlab/Simulink là công cụ mạnh mẽ dùng để mô phỏng và phân tích tác động của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) đối với lưới điện mà nó kết nối.
Trong chương này, tác giả trình bày các mô hình toán học để mô phỏng hệ thống PV, chuyển đổi tín hiệu quang điện từ cường độ ánh sáng mặt trời và nhiệt độ thành dòng điện xoay chiều Bên cạnh đó, các mô hình phổ biến trong hệ thống điện cũng được giới thiệu nhằm hỗ trợ việc mô phỏng hệ thống PV kết nối với lưới điện IEEE 13 nút.
Mô hình h ệ th ố ng PV k ế t n ối lướ i
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời kết nối nối lưới
Hình 2.1 giới thiệu mô hình chi tiết hệ thống PV kết nối với lưới
Hệ thống PV bao gồm các khối sau:
Mô hình pin quang điện PV hoạt động dựa trên cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ, cung cấp điện áp một chiều (DC) Công suất tối đa của hệ thống đạt được khi cường độ bức xạ mặt trời là 1000W/m2 và nhiệt độ đạt 25oC.
Bộ biến đổi DC/DC (Boost Converter) kết hợp với thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) giúp tối ưu hóa công suất một chiều từ hệ thống năng lượng mặt trời (PV) Với tần số 5kHz, bộ biến đổi này nâng cao điện áp từ mức tự nhiên 273V DC tại công suất cực đại lên đến 500V, đảm bảo hiệu suất tối đa cho quá trình chuyển đổi năng lượng.
Bộ biến đổi điện áp DC/AC (DC/AC Inverter) có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp 3 pha xoay chiều Qua bộ này, điện áp một chiều 500V được biến đổi thành điện áp xoay chiều 260V.
Máy biến áp tăng áp là một thành phần thiết yếu trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV), giúp điều chỉnh điện áp đến mức phù hợp với yêu cầu của phụ tải trong hệ thống hoạt động độc lập hoặc tương thích với lưới điện trong hệ thống kết nối lưới.
Phần mềm Matlab/Simulink đã hoàn thiện mô hình toán học cho hệ thống PV, và tác giả sẽ trình bày chi tiết về những hiểu biết của mình liên quan đến mô hình này trong quá trình thực hiện luận văn.
Mô hình pin m ặ t tr ờ i
2.3.1 Giới thiệu về pin mặt trời
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong lớp bán dẫn để tạo ra dòng điện một chiều khi tiếp xúc với ánh sáng.
Hình 2.2 : C ấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Gồm ba thành phần chính như đã mô tả trên hình 2.2:
- Mặt ghép bán dẫn p – n: sử dụng tinh thể Silic, đây là thành phần chính của pin; lớp n thường mỏng để ánh sáng có thể chiếu tới lớp tiếp xúc p – n
Điện cực là thành phần quan trọng trong việc dẫn điện đến phụ tải, yêu cầu vật liệu chế tạo phải có độ dẫn điện tốt và khả năng bám dính hiệu quả vào chất bán dẫn.
- Lớp chống phản quang: nếu sự phản xạ ánh sáng càng nhiều sẽ làm cho hiệu suất của pin giảm Vì vậy phải phủ một lớp chống phản quang.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện, trong đó lớp p-n hấp thụ ánh sáng có bước sóng lớn hơn hoặc bằng năng lượng ban đầu Eg.
Khi điện áp được áp dụng, electron tạo ra cặp điện tử - lỗ trống và trở thành các hạt tải điện tự do Electron sẽ di chuyển về phía cực của bán dẫn loại n, trong khi lỗ trống di chuyển về phía cực của bán dẫn loại p Khi có kết nối bên ngoài giữa bán dẫn loại n và p, dòng điện sẽ được hình thành.
• Phân loại: cho tới nay vật liệu chế tạo pin mặt trời chủ yếu là Silic và được chia thành ba loại chính:
- Ðơn tinh thể: có hiệu suất tới 16% và loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống
Đa tinh thể là loại pin được sản xuất từ thỏi đúc silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Mặc dù giá thành của pin đa tinh thể thấp hơn pin đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của nó cũng kém hơn.
Dải Silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể, mang lại hiệu suất thấp nhất nhưng có mức giá rẻ nhất.
• Đặc tính làm việc của pin mặt trời
Sơ đồ tương đương của pin mặt trời:
Hình 2.3: Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời
Khi được chiếu sáng thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện Iph vì vậy pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng
Lớp tiếp xúc p-n hoạt động như một diode D, có khả năng chỉnh lưu Tuy nhiên, khi phân cực ngược, điện trở tiếp xúc giới hạn dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện rò Dòng điện rò này được đặc trưng bởi điện trở shunt Rsh.
Dòng quang điện trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực và tiếp xúc, tạo thành một điện trở tổng hợp Rs mắc nối tiếp Điều này giúp xây dựng sơ đồ tương đương tổng quát của pin mặt trời, như thể hiện trong hình 2.3.
Dòng điện qua diode: ID = Is.�e qVd nkT −1�
Phương trình Kirchoff dòng điện: I ph −I D − R V D sh−I PV = 0 Phương trình Kirchoff điện áp: VPV = VD – Rs.IPV
Is : Dòng bão hòa qua diode, [A] q : Điện tích electron, q = 1,602.10 -19 C k : Hằng số Boltzman, k = 1,381.10 -23 J/K
T : Nhiệt độ lớp tiếp xúc, [K] n : Hệ số lý tưởng của diode
IPV : Dòng điện ra của pin mặt trời, [A]
VPV : Điện áp ra của pin mặt trời
Suy ra phương trình đặc tính I – V của một tế bào pin mặt trời:
I PV = I ph −I D −I sh = I ph −I s �e q�VD+IPV nkT Rs� −1� −V D + I PV R s
Để đạt được công suất, điện áp và dòng điện theo yêu cầu, cần ghép các tế bào pin mặt trời thành một module Nếu ghép nối tiếp Ns tế bào và ghép song song Np tế bào, phương trình đặc tính I – V tổng quát sẽ được thiết lập như sau:
IPV = Np Iph−Np ID−Ish = Iph−Is�e q�VD+IPV nkT Rs� −1� −V D + I PV R s
• Mô hình hóa pin mặt trời bằng Simulink
Một dàn pin mặt trời PV bao gồm nhiều chuỗi nối tiếp và song song các module
PV, trong mỗi module gồm chuỗi các tế bào quang điện nối tiếp nhau
Hình 2.4: Mô hình pin m ặt trời trong Matlab/Simulink
Các đặc tính của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) được thể hiện qua mối quan hệ U-I và P-U của tế bào quang điện Để phân tích hiệu suất của hệ thống PV trong các điều kiện thời tiết khác nhau, cần xem xét ảnh hưởng của cường độ ánh sáng mặt trời và nhiệt độ đến điện áp (U) và dòng điện (I) của hệ thống Đầu vào của dàn pin mặt trời bao gồm cường độ ánh sáng (Ir) tính bằng W/m² và nhiệt độ (°C) Giả thiết rằng hai dữ liệu đầu vào này sẽ biến đổi theo các điều kiện khác nhau.
Hình 2.5: Đồ thị cường độ ánh sáng và nhiệt độ
Tấm pin mặt trời sử dụng module SPR-305, bao gồm 66 chuỗi các module được ghép song song (Npar = 66), mỗi chuỗi là 5 module được ghép nối tiếp (Nser = 5)
Thông số "Loại module" trong khối pin mặt trời cho phép người dùng lựa chọn giữa nhiều loại pin khác nhau để mô phỏng Matlab/simulink đã tích hợp đặc tính của 10 loại pin đa dạng.
Thông số của pin mặt trời module SPR – 305:
Số tế bào quang điện kết nối nối tiếp: 96 Điện áp đỉnh Vmp: 54,7V
Dòng điện đỉnh Imp: 5,58A Điện áp hở mạch Voc: 64,2V
Dòng điện ngắn mạch Isc: 5,96A
Hệ số nhiệt độ của Voc: -0,177 V/˚C
Hệ số nhiệt độ của Isc: 3,516 mA/˚C
Hệ số nhiệt độ của Vmp: -0,186 V/˚C
Hệ số nhiệt độ của Imp: -2,12 mA/˚C
• Những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến pin mặt trời:
Khí hậu và thời tiết có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của pin mặt trời, trong đó nhiệt độ và cường độ ánh sáng là hai yếu tố chủ chốt tác động mạnh mẽ đến đặc tính dòng điện I.
1000 Ir power_PVarray_grid_det/Irradiance Temp : Ramp-up/down Irradiance
V của pin mặt trời dẫn tới sự thay đổi điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP
(Maximum Power Point) của pin mặt trời
Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng:
Hình 2.6: Đặc tính I – V và P – V khi cường độ chiếu sáng thay đổi
Khi thay đổi điều kiện của cường độ ánh sáng mặt trời từ W = 250W/m 2 tới bức xạ
W = 1000 W/m 2 thu được đặc tính I – V và P – V như hình 2.6 Từ đó có một số kếtluận như sau:
Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Cường độ bức xạ càng lớn thì dòng Isc càng lớn và ngược lại
Khi dòng điện và điện áp tăng, công suất hoạt động của pin cũng tăng theo, dẫn đến điểm MPP (Maximum Power Point) với công suất lớn nhất sẽ di chuyển lên cao hơn khi cường độ chiếu sáng của mặt trời tăng.
Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Thay đổi điều kiện nhiệt độ của pin mặt trời thay đổi từ 0˚C đến 100˚C Từ đó, thu được đặc tính I – V và P – V như hình 2.7 dưới đây:
Array type: SunPower SPR-305-WHT; 5 series modules; 66 parallel strings
Hình 2.7: Đặc tính I – V và P – V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi từ 0˚C đến 100˚C
Từ hình 2.7 ta có nhận xét:
Khi nhiệt độ tăng, điện áp hoạt động của pin mặt trời giảm mạnh, trong khi dòng điện chỉ tăng nhẹ Do đó, công suất của pin mặt trời sẽ giảm dần khi nhiệt độ tăng, với công suất lý tưởng đạt được ở mức 25˚C.
Sau khi khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố bên trong (Rs, Rp) và bên ngoài (bức xạ mặt trời, nhiệt độ) lên đặc tính tấm pin mặt trời, chúng ta nhận thấy rằng sự thay đổi của các yếu tố khí hậu bên ngoài sẽ dẫn đến sự biến đổi của đường đặc tính Do đó, điểm có công suất lớn nhất (Maximum Power Point - MPP) cũng sẽ di chuyển theo, và vị trí của điểm làm việc cực đại của pin mặt trời không thể xác định trước.
Do đó, việc cần thiết để khai thác hiệu quả tấm pin mặt trời là phải có một thuật toán để
Voltage (V) Array type: SunPower SPR-305-WHT; 5 series modules; 66 parallel strings
Voltage (V) theo dõi được quá trình di chuyển, vị trí của điểm MPP và áp đặt hệ thống năng lượng mặt trời phải hoạt động tại điểm MPP đó
2.3.2 Bộ chuyển đổi DC-DC (Boost converter) với điều khiển bám điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT)
Gi ớ i thi ệ u và mô t ả các kh ố i ch ức năng cơ bả n mô ph ỏ ng h ệ th ống điệ n được sử dụng trong Simulink
được sử dụng trong Simulink
Giới thiệu và cách cài đặt các khối thường dùng trong hệ thống điện (nguồn, máy biến áp, đường dây, tải, đo điện áp, đo công suất…)
Matlab là phần mềm quen thuộc với các chuyên gia kỹ thuật, nổi bật với nhiều chức năng đa dạng và mạnh mẽ trong tính toán và mô phỏng Đặc biệt, nó rất hữu ích trong việc giải quyết các phương trình vi phân và thực hiện các thuật toán dự báo.
Trong bài viết này, chúng tôi sử dụng chức năng Simulink của Matlab để mô phỏng và khảo sát sự thay đổi công suất khi lưới điện kết nối với hệ thống năng lượng mặt trời PV Để hỗ trợ cho quá trình mô phỏng, Simulink cung cấp nhiều thư viện thiết bị sẵn có, trong đó chúng tôi sử dụng các khối từ hai thư viện là SimPowerSystems và Simulink Để bắt đầu mô phỏng, người dùng chỉ cần nhấp vào biểu tượng trên thanh Toolbar của Matlab, sau đó vào File/New và chọn Model để mở một mô hình mới cho việc mô phỏng.
Sau đây, em xin giới thiệu và mô tả các khối chức năng cơ bản trong Simulink được sử dụng trong luận văn:
Khối nguồn ba pha mô phỏng nguồn điện áp ba pha với tổng trở trong R-L, kết nối theo dạng Y Điểm trung tính có thể được nối đất bên trong khối hoặc với khối khác Người dùng có thể nhập giá trị điện trở và điện cảm trực tiếp hoặc gián tiếp bằng cách chọn ô "Specify impedance using short-circuit level".
• Phase-to-phase rms voltage: nhập giá trị hiệu dụng của điện áp dây
Góc pha của pha A cần được nhập vào để tạo ra nguồn áp ba pha theo thứ tự thuận, trong đó pha B và pha C sẽ lần lượt trễ hơn pha A 120˚ và 240˚.
• Frequency: nhập tần số của nguồn
• Internal connection: chọn dạng đấu nối của trung tính nguồn:
- Dạng Y: trung tính không nối đất
- Dạng Yn: trung tính được nối với một khối khác
- Dạng Yg: trung tính được nối đất sẵn trong khối
Nếu không chọn mục "Specify impedance using short-circuit level", bạn cần nhập trực tiếp giá trị của điện trở (R) và điện cảm (L) Ngược lại, nếu không chọn, giá trị của R và L sẽ được nhập gián tiếp thông qua hai thông số: giá trị điện cảm khi ngắn mạch và tỷ số X/R theo công thức.
R = X X/R 2πfL X/R Giá trị L được tính theo công thức:
VBase: điện áp cơ bản (V)
Psc: công suất ngắn mạch ba pha cảm ứng (VA)
• 3-phase short-circuit level at base voltage: nhập công suất ngắn mạch ba pha cảm ứng Psc
• Base voltage: nhập điện áp cơ bản VBase
• X/R ratio: nhập tỉ số giữa X và L
2.4.2 Khối RLC 3 pha mô tả thông sốđường dây
Khối phụ tải ba pha RLC có thể được hiểu là sự kết hợp của điện trở ba pha, cuộn cảm ba pha và tụ điện ba pha, tùy thuộc vào các thông số đầu vào.
Ta nhập các giá trị của R, L, C trong bảng thông số của khối: Để tính R, L, C ta tính theo công thức:
Để loại bỏ điện trở, cuộn cảm hoặc tụ điện khỏi khối, bạn cần nhập các giá trị tương ứng là 0 hoặc vô cực (inf) Khối này cũng cho phép nhập giá trị âm cho điện trở, cuộn cảm và tụ điện.
Khối này mô tả một máy biến áp ba pha hai cuộn dây
Hai cuộn dây của máy biến áp có thể được đấu nối theo các cách dưới đây:
• Dạng Y trung tính nối đất
Trong khối này ta sẽ nhập các thông số:
• Nomiral power and frequency: nhập công suất danh định (VA), tần số danh định (Hz) cho máy biến áp
• Winding 1 (ABC) connection: dạng đấu nối của cuộn dây sơ cấp
• Winding parameter: nhập giá trị điện áp hiệu dụng, điện trở và tự cảm rò
• Magnetization resistance Rm (pu): nhập giá trị của điện trở từ hóa (hệ tương đối)
• Magnetization reactance Rm (pu): nhập giá trị của điện kháng từ hóa (hệ tương đối)
2.4.4 Khối đo điện áp và dòng điện 3 pha
Khối này hoạt động như một thanh cái và có chức năng đo điện áp cũng như dòng điện trên đường dây Khi được kết nối nối tiếp với thiết bị ba pha, khối này sẽ thực hiện việc đo điện áp pha hoặc điện áp dây, đồng thời đo dòng điện ba pha.
Trong bảng thông số khối, ta đặt thông số như sau:
- Chọn no nếu không muốn đo điện áp 3 pha
- Chọn phase-to-ground nếu muốn đo điện áp pha
- Chọn phase-to-phase nếu muốn đo điện áp dây
Sử dụng nhãn: Khi được chọn, điện áp hoặc dòng điện đo được sẽ tương ứng với tín hiệu đã được gán Ngược lại, nếu không được chọn, giá trị điện áp hoặc dòng điện đo được sẽ bằng giá trị ngõ ra.
• Signal label: chọn tín hiệu để gán cho điện áp đo được
• Voltage in p.u: nếu chọn thì điện áp đo ở đơn vị tương đối Nếu không thì đo bằng Volt
Điện áp cơ sở (Vrms phase-phase) sẽ không hiển thị nếu không chọn tùy chọn "Voltage in p.u." Mục này cho phép cài đặt điện áp gốc để chuyển đổi điện áp sang hệ tương đối.
• Current Measurement: chọn yes để cho phép đo dòng điện chạy qua khối
• Current in p.u: dòng điện đo ở hệ tương đối Nếu không thì đo bằng Ampe
• Base power ( VA 3 phase): đặt công suất ban đầu để chuyển công suất sang hệ tương đối Mục này sẽ không hiện ra nếu không chọn mục Current in p.u
2.4.5 Khối phụ tải RLC 3 pha nối tiếp
Trong khối này, ta nhập các thông số sau:
• Cho phụ tải được nối đất hay mặc nối tiếp với các thiết bị khác trong mục Configuration:
- Nếu chọn Y(grounded): trung tính được nối đất
- Nếu chọn Y(floating): trung tính không ảnh hưởng đến phụ tải
- Nếu chọn Y(neutral): trung tính của phụ tải sẽ được nối với khối khác
- Nếu chọn Delta: ba pha của phụ tải được mắc dạng ∆
• Điện áp danh định pha-pha (Nomiral phase-to-phase voltage)
• Tần số danh định (Nominal frequency)
2.4.6 Khối phụ tải RLC 3 pha mắc song song
Cách nhập các thông số trong khối này cũng tương tự như khối phụ tải RLC mắc nối tiếp
Khối này dùng để nối đất cho thiết bị
2.4.8 Khối đo điện áp pha hoặc điện áp dây
Khối này được sử dụng để đo điện áp dây trên đường dây bằng cách kết nối hai đầu (+) và (-) vào đường dây, hoặc để đo điện áp pha bằng cách nối đầu (+) vào đường dây và đầu (-) nối với đất.
2.4.9 Khối đo tín hiệu hiệu dụng
Khối này đo giá trị hiệu dụng của tín hiệu tức thời của dòng điện hoặc điện áp được đưa vào ở ngõ vào của khối RMS theo công thức:
Trong đó: f(t) là tín hiệu ngõ vào
Là khối dùng để quan sát tín hiệu của các dao động trên đường dây
Trên cửa sổ của scope có một thanh toolbar:
Thanh toolbar này cho phép người dùng phóng to hoặc thu nhỏ để quan sát đường đồ thị trong một khoảng thời gian cụ thể Ngoài ra, tính năng Autoscale giúp hiển thị toàn bộ đường đồ thị, giới hạn hiển thị của đường đồ thị, và lưu trữ đường đồ thị vào Workspace.
Trong mục scope parameter, ta có thể ấn định: Số đầu vào ở Scope ở mục Number of axes; khoảng thời gian quan sát
2.4.11 Khối đo công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q
Khối này được sử dụng để đo công suất tức thời P và Q của đường dây, dựa vào sự biến đổi tuần hoàn của hai tín hiệu điện áp và dòng điện tại thời điểm đó.
Khối này mô tả một phụ tải động 3 pha, 3 cuộn dây Khối này chỉ mô tả công suất
Dòng điện ba pha trên tải luôn được duy trì cân bằng, ngay cả khi có sự mất ổn định điện áp của phụ tải Trong trường hợp điện áp đầu cực của tải V nhỏ hơn Vmin, điện kháng tải giữ hằng số Khi điện áp V lớn hơn Vmin, công suất P và Q được tính theo công thức cụ thể.
V0, P0, Q0: là các giá trị ban đầu
V: điện áp của phụ tải np, nq: là các hệ số mũ biểu diễn trạng thái của phụ tải
Tp1,Tp2: hằng số thời gian
Trong bảng nhập thông số, ta nhập giá trị điện áp V, tần số f, P0, Q0, V0 và các giá trị np, nq
2.4.13 Khối đường dây truyền tải
Khối đường dây truyền tải mô phỏng đường dây tải điện trên hệ thống, trong bảng thông số của khối ta cần nhập:
• Number of phases N: nhập số pha của đường dây của hệ thống
• Frequency used for RLC specifications: nhập tần số của hệ thống để căn cứ vào đó tính toán R, L, C
Điện trở trên 1km được xác định theo đơn vị điện trở trên mỗi đơn vị chiều dài Đối với đường dây đối xứng, người dùng có thể nhập giá trị điện trở theo dạng ma trận hoặc theo thứ tự Đối với đường dây hai pha hoặc ba pha, giá trị điện trở có thể được nhập theo thứ tự thuận và thứ tự nghịch [R1 R0] Trong khi đó, đối với đường dây bất đối xứng, chỉ có thể nhập giá trị điện trở theo kiểu ma trận.
• Inductance per unit length: nhập giá trị điện cảm trên 1km Cách nhập tương tự như Resistance per unit length
• Capacitance per unit length: tương tự như hai mục trên
• Line length: nhập chiều dài đường dây (km)
