Tài liệu Nghiên cứu chất lượng điện năng khi tích hợp nguồn năng lượng mặt trời công suất lớn vào lưới điện khu vực tỉnh đắklắk

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VIẾT THÀNH NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC TỈNH ĐẮK LẮK LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VIẾT THÀNH NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC TỈNH ĐẮK LẮK Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60 52 02 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐINH THÀNH VIỆT Đà Nẵng - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận văn TRẦN VIẾT THÀNH TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC TỈNH ĐẮK LẮK Học viên: Trần Viết Thành Mã số: 60.52.02.02 ĐHĐN Chuyên nghành: Kỹ thuật điện Khóa: 2016-2018 (K33.KTĐ - NT) Trường Đại học Bách khoa – Tóm tắt – Luận văn nghiên cứu các tác động của nhà máy điện mặt trời có công suất lớn khu vực tỉnh Đắk Lắk (quy hoạch năm 2025) đối với hệ thống điện bởi các yếu tố như cường độ bức xạ mặt trời, sự cố ngắn mạch khu vực lân cận nhà máy, ứng dụng các thiết bị STATCOM và BESS để nâng cao ổn định hệ thống điện. Luận văn thực hiện mô hình hóa thiết bị điện, cấu trúc lưới, thiết bị BESS, STATCOM, ứng dụng thuật toán lựa chọn điểm làm việc cực đại MPPT, mô hình toán học của pin mặt trời, mô hình thiết bị biến đổi thành điện một chiều, mô hình động của inverter và hệ thống điều khiển. Sự dao động của điện áp và tần số trong hệ thống được nghiên cứu bằng cách thay đổi cường độ bức xạ mặt trời, mô phỏng sự cố 3 pha trên đường dây có đấu nối với nhà máy điện mặt trời. Các kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống sẽ bị ảnh hưởng về tần số, điện áp khi điện mặt trời có công suất lớn đấu nối vào lưới. Từ khóa - Điện mặt trời; BESS; MPPT; cường độ bức xạ mặt trời, STATCOM, hệ thống điện. RESEARCH ELECTRICITY QUALITY WHEN INTEGRATED LARGE – SCALE SOLAR ENERGY SOURCES IN THE REGION OF DAK LAK PROVINCE Abstract - In this master thesis investigated the impacts of Impact of large-scale photovoltaic power plant in Dak Lak province (planning 2025) on power systems by factors such as the intensity of solar radiation, short circuit, the application of STATCOM and BESS devices to improve the stability of the power system. The paper makes modeling equipments, grid structure, BESS and STATCOM equipments, Maximum power point tracking algorithm application MPPT, photovoltaic cell mathematical model, dynamic model of inverter and control system. Voltage and frequency oscillation in the power system were investigated by changing the intensity of solar radiation, simulating three-phase faults on the transmission line connected to the photovoltaic power plant. The study results show that the system will be affected by the frequency and voltage when solar power is connected to the grid. Key Words - Photovoltaic power; BESS; MPPT; photovoltaic power; STATCOM, power system. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 2 6. Cấu trúc của luận văn.......................................................................................... 2 1. CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI ...................................................................................................................... 4 1.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC PIN QUANG ĐIỆN ..................................................... 4 1.1.1. Cấu tạo tế bào quang điện ............................................................................. 4 1.1.2. Nguyên lý làm việc của tế bào quang điện ................................................... 4 1.1.3. Mạch điện (mô hình) tương đương pin quang điện ...................................... 5 1.2. CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI ........................................................ 7 1.2.1. Tổng quan về nhà máy điện mặt trời quang điện nối lưới trực tiếp ............. 8 1.2.2. Công nghệ của nhà máy điện mặt trời .......................................................... 9 1.2.2.1. Pin quang điện ..................................................................................... 9 1.2.2.2. Bộ nghịch lưu – Inverter ................................................................... 11 1.2.2.3. Hệ thống giá đỡ, phao đỡ .................................................................. 17 1.2.2.4. Máy biến áp trung thế ....................................................................... 18 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .............................................................................................. 18 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA CÁC THIẾT BỊ VÀ QUY ĐỊNH ĐẤU NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI ............................................................................................... 20 2.1. TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PSS/E ................................................................ 20 2.1.1. Các bài toán mà phần mềm PSS/E có thể giải quyết .................................. 21 2.1.2. Một số khả năng đặc biệt của chương trình PSS/E..................................... 22 2.2. MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ ................................................................................... 22 2.2.1. Mô hình của Photovoltaic Arrays (PV) ...................................................... 22 2.2.1.1. Thuật toàn chọn điểm làm việc cực đại ............................................ 24 2.2.1.2. Tích hợp mô hình mô hình động PV trong PSS/E ............................ 24 2.2.2. Mô hình Battery Energy Storage System - BESS ...................................... 25 2.2.2.1. Mô hình trào lưu công suất thiết bị BESS ........................................ 26 2.2.2.2. Mô hình động thiết bị BESS ............................................................. 26 2.2.3. Mô hình thiết bị STATCOM ...................................................................... 27 2.2.3.1. Các phương pháp điều khiển cơ bản STATCOM ............................. 29 2.2.3.2. Đặc tính V-A của STATCOM: ......................................................... 30 2.2.3.3. Mô hình hàm truyền điều khiển ........................................................ 31 2.3. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐẤU NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN ........................................................................................................ 31 2.3.1. Yêu cầu kỹ thuật đấu nối nhà máy điện mặt trời theo truyền tải điện Quốc gia Việt Nam .................................................................................................................. 31 2.3.2. Yêu cầu kỹ thuật đấu nối nhà máy điện mặt trời theo truyền tải điện Quốc gia Ai Cập ...................................................................................................................... 35 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .............................................................................................. 36 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC TỈNH ĐẮK LẮK ................................................................................................. 38 3.1. NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO HỆ THỐNG..................................... 38 3.1.1. Ảnh hưởng bởi mây che giảm cường độ bức xạ ......................................... 39 3.1.2. Ảnh hưởng bởi trường hợp sự cố ngắn mạch trên lưới 220kV .................. 42 3.1.2.1. Trường hợp cắt loại trừ sự cố 3 pha trên 1 mạch đường dây 220kV KrongBuk-Chư Sê ......................................................................................................... 42 3.1.2.2. Trường hợp cắt loại trừ sự cố 3 pha trên 1 mạch đường dây 220kV KrongBuk-Nha Trang .................................................................................................... 46 3.2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG .................................... 49 3.2.1. Ứng dụng thiết bị STATCOM .................................................................... 50 3.2.1.1. Ảnh hưởng bởi mây che giảm cường độ bức xạ ............................... 51 3.2.1.2. Ảnh hưởng bởi trường hợp sự cố ngắn mạch trên lưới 220kV ......... 53 3.2.2. Ứng dụng thiết bị BESS ............................................................................. 60 3.2.2.1. Ảnh hưởng bởi mây che giảm cường độ bức xạ ............................... 60 3.2.2.2. Ảnh hưởng bởi trường hợp sự cố ngắn mạch trên lưới 220kV ......... 63 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .............................................................................................. 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN (BẢN SAO). TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC TỈNH ĐẮK LẮK Học viên: Trần Viết Thành Chuyên nghành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 Khóa: 2016-2018 (K33.KTĐ - NT) Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn nghiên cứu các tác động của nhà máy điện mặt trời có công suất lớn khu vực tỉnh Đắk Lắk (quy hoạch năm 2025) đối với hệ thống điện bởi các yếu tố như cường độ bức xạ mặt trời, sự cố ngắn mạch khu vực lân cận nhà máy, ứng dụng các thiết bị STATCOM và BESS để nâng cao ổn định hệ thống điện. Luận văn thực hiện mô hình hóa thiết bị điện, cấu trúc lưới, thiết bị BESS, STATCOM, ứng dụng thuật toán lựa chọn điểm làm việc cực đại MPPT, mô hình toán học của pin mặt trời, mô hình thiết bị biến đổi thành điện một chiều, mô hình động của inverter và hệ thống điều khiển. Sự dao động của điện áp và tần số trong hệ thống được nghiên cứu bằng cách thay đổi cường độ bức xạ mặt trời, mô phỏng sự cố 3 pha trên đường dây có đấu nối với nhà máy điện mặt trời. Các kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống sẽ bị ảnh hưởng về tần số, điện áp khi điện mặt trời có công suất lớn đấu nối vào lưới. Từ khóa - Điện mặt trời; BESS; MPPT; cường độ bức xạ mặt trời, STATCOM, hệ thống điện. RESEARCH ELECTRICITY QUALITY WHEN INTEGRATED LARGE – SCALE SOLAR ENERGY SOURCES IN THE REGION OF DAK LAK PROVINCE Abstract - In this master thesis investigated the impacts of Impact of large-scale photovoltaic power plant in Dak Lak province (planning 2025) on power systems by factors such as the intensity of solar radiation, short circuit, the application of STATCOM and BESS devices to improve the stability of the power system. The paper makes modeling equipments, grid structure, BESS and STATCOM equipments, Maximum power point tracking algorithm application - MPPT, photovoltaic cell mathematical model, dynamic model of inverter and control system. Voltage and frequency oscillation in the power system were investigated by changing the intensity of solar radiation, simulating three-phase faults on the transmission line connected to the photovoltaic power plant. The study results show that the system will be affected by the frequency and voltage when solar power is connected to the grid. Key Words - Photovoltaic power; BESS; MPPT; photovoltaic power; STATCOM, power system. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PV: Photovoltaic - Pin năng lượng mặt trời PF%: PoWer Factor: Hệ số công suất cosphi IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers MPPT : Lựa chọn thời điểm làm việc cực đại BESS: Battery Energy Storage System – Hệ thống lưu điện STATCOM: Máy bù đồng bộ tĩnh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU AC: Xoay chiều DC: Một chiều P: Công suất tác dụng Q: Công suất phản kháng V: Vận tốc f: Tần số U: Điện áp DANH MỤC CÁC BẢNG Số Tên bảng hiệu Trang 1.1. Đặc tính hiệu suất của các loại pin quang điện 11 1.2. Bảng thông số chính của một số loại inverter 14 2.1. Điện áp tại thanh cái cho phép vận hành trên lưới điện truyền tải 32 2.2. Thời gian tối thiểu duy trì vận hành phát điện của, nhà máy điện mặt trời tương ứng với các dải tần số của hệ 32 thống điện 2.3. Mức nhấp nháy điện áp 34 2.4. Thời gian cho phép vận hành nhà máy điện mặt trời theo điện áp 36 2.5 Phạm vi điện áp và tần số cho phép nhà máy điện mặt trời hòa lưới 36 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7 Tên hình Cấu tạo Pin quang điện Nguyên lý làm việc Pin Quang điện Sự dịch chuyển các electron Mạch điện tương đương đơn giản của Pin Mặt trời a) Dòng điện ngắn mạch; b) Điện áp hở mạch Pin mặt trời Đặc tính U-I của Pin Quang điện 4 4 5 5 6 6 Tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời CSP trên thế giới 7 1.8. Tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời PV trên thế giới 1.9. Sơ đồ tổng quan về nhà máy điện mặt trời nối luới 1.10. Phân loại các công nghệ pin quang điện Thị phần các loại công nghệ pin quang điện trên thế giới năm 1.11. 2015 1.12. 1.13. 1.14. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. Trang Cấu trúc PV đấu nối lưới a) Central Inverter b) String Inverter Đường cong công suất của hai loại inverter với cách ghi công suất danh định khác nhau Góc đặt tối ưu cho các tấm pin mặt trời Mô hình thiết bị PV Mô hình điều khiển điện mặt trời [8] Mô hình thiết bị BESS Mô hình thiết bị Dynamic BESS Nguyên lý máy điện đồng bộ Mô hình STATCOM và sơ đồ tương đương Mô hình nguyên lý làm việc của thiết bị STATCOM theo phương pháp điều khiển dòng bù qua điện áp Mô hình nguyên lý làm việc của thiết bị STATCOM theo phương pháp điều khiển điện áp dc bộ nghịch lưu Mô hình STATCOM và sơ đồ tương đương Đặc tính V-A của bộ STATCOM Sơ đồ khối hàm truyền của STATCOM mô hình hóa trong PSS/E Cấu trúc đấu nối nhà máy điện mặt trời đến lưới 7 8 10 10 12 13 17 23 25 25 26 27 28 29 29 30 30 31 35 Số hiệu 3.1. 3.2. 3.3. Tên hình Sơ đồ đấu nối và trào lưu công suất hệ thống điện khu vực đấu nối Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi trong 1 phút do tác động của mây che tương ứng với công suất phát của Solar Buôn Đôn Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ NMĐ mặt trời đến TBA 220kV KrongBuk 3.4. Trang 39 40 40 Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk 3.5. Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 3.6. Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Solar Buôn Đôn 3.7. Đáp ứng công suất phát của nhà máy Solar Buôn Đôn Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar 3.8. Buôn Đônđến TBA 220kV KrongBuk 3.9. Dao động điện áp tại Solar Buôn Đôn 3.10. Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Krong Buk 41 3.11. Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 Dao động góc roto máy phát Serapok4 – H1 Đáp ứng công suất phát của Solar Buôn Đôn Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar Buôn Đônđến TBA 220kV KrongBuk Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk Độ lệch tần số - Dao động tần số tại thanh cái 220kV Krong Buk Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 Dao động góc roto máy phát Serapok4-H1 Sơ đồ đấu nối giải pháp nâng cao chất lượng điện năng Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi trong 1 phút do tác động của mây che tương ứng với công suất phát của Solar Buôn Đôn Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ NMĐ mặt trời đến TBA 220kV KrongBuk 45 Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Solar Buôn Đôn Đáp ứng công suất phát của Solar Buôn Đôn 52 3.12. 3.13. 3.14a 3.15b 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. 3.22. 3.23. 3.24. 3.25. 41 42 43 43 44 44 45 46 46 47 47 48 48 49 50 51 51 52 53 54 Số hiệu Tên hình Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar Buôn Đônđến TBA 220kV KrongBuk 3.27. Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 3.28. Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Solar Buôn Đôn 3.26. 3.29. Trang 54 55 55 Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 Dao động góc roto máy phát Serapok4 – H1 Đáp ứng công suất phát của Solar Buôn Đôn Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar Buôn Đôn đến TBA 220kV KrongBuk Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk Độ lệch tần số - Dao động tần số tại thanh cái 220kV Krong Buk Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 Dao động góc roto máy phát Serapok4-H1 Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi trong 1 phút do tác động của mây che tương ứng với công suất phát của Solar Buôn Đôn Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ NMĐ mặt trời đến TBA 220kV KrongBuk Chênh lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk Dao động điện áp tại thanh cái 220kV Solar Buôn Đôn Đáp ứng công suất phản kháng của STATCOM và vận hành của BESS (xả) Đáp ứng công suất phát của Solar Buôn Đôn Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar Buôn Đôn đến TBA 220kV KrongBuk Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 56 Độ lệch tần số - dao động tần số tại thanh cái 220kV KrongBuk Đáp ứng công suất của STATCOM và vận hành của BESS 3.48. (nạp) 3.49. Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 3.50. Đáp ứng công suất phát của Solar Buôn Đôn 64 3.30. 3.31. 3.32. 3.33. 3.34. 3.35. 3.36. 3.37. 3.38. 3.39. 3.40. 3.41. 3.42. 3.43. 3.44. 3.45. 3.46. 3.47. 56 57 57 58 58 59 59 60 60 61 61 62 62 62 63 63 64 65 65 66 Số hiệu Tên hình Dao động công suất trên 1 mạch đường dây đấu nối từ Solar Buôn Đônđến TBA 220kV KrongBuk 3.52. Dao động điện áp tại thanh cái 220kV KrongBuk 3.53. Dao động tần số tại thanh cái 220kV PV 3.51. 3.54. 3.55. Đáp ứng công suất phản kháng của STATCOM và BESS (nạp) Dao động góc roto máy phát Buôn Kuốp-H1 Trang 66 66 67 67 67 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây nền kinh tế nước ta đã chuyển mình và có tốc độ tăng trưởng tương đối cao. Chính điều này đã thúc đẩy các ngành công nghiệp mũi nhọn và tiền đề cho nền kinh tế phải liên tục thay đổi công nghệ và kĩ thuật để theo kịp tốc độ tăng trưởng mạnh đó. Trong đó ngành công nghiệp năng lượng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng đã và đang được quan tâm đầu tư phát triển. Tình hình năng lượng điện tại Việt Nam theo dự báo của viện năng lượng quốc gia, nhu cầu điện tiêu dùng của Việt Nam tăng hơn 10%/năm cho đến năm 2020. Hiện tại Việt Nam phải nhập khẩu điện từ Trung Quốc, Lào, bây giờ Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã và đang có đề án triển khai nhập khẩu điện từ Lào về với lượng công sức cực lớn (2020 – 1000MW, 2025 – 3000MW). Ngoài ra, để cơ bản đáp ứng được nhu cầu về tiêu dùng năng lượng nội bộ, Việt Nam đã có kế hoạch xây dựng thêm 32 nhà máy điện. EVN có kế hoạch đưa vào hoạt động 16 nhà máy thuỷ điện, tăng công suất phát điện đối với nhà máy điện chạy than và đang lên kế hoạch phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. Sau khi gia nhập WTO, nền kinh tế VN đứng trước những thử thách lớn. Để vượt qua được những thử thách đó cần có một nền công nghiệp điện năng phát triển. Xây dựng điện bằng năng lượng mặt trời là một giải pháp hiện thực, có hiệu quả cao, có thể nhanh chóng đáp ứng nhu cầu điện năng của cả nước. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận để khai thác. 1. Tính cấp thiết của đề tài Đồng hành cùng xu hướng toàn cầu về đầu tư năng lượng tái tạo, Việt Nam đã đưa ra quan điểm ưu tiên phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, tạo đột phát trong việc đảm bảo an ninh năng lượng Quốc gia, góp phần bảo tồn tài nguyên năng lượng, giảm thiểu tác động tiêu cực tới môi trường sản xuất điện. Theo Quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tính đến năm 2025 cơ cấu nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo rất lớn chiếm đến 12,5%, trong đó điện mặt trời chiếm tỷ trọng cao nhất. Chỉ tính riêng tỉnh ĐắkLắk, theo quy hoạch tỉnh, nguồn điện mặt trời khu vực huyện EaSup lên đến gần 1400MW. Với công suất điện mặt trời lớn không tránh khỏi những ảnh hưởng dao động tần số, điện áp của khu vực lưới điện đấu nối khi bị gián đoạn bởi bức xạ mặt trời. Ngoài ra, khi sự cố ngắn mạch trên lưới điện có đấu nối với nguồn điện mặt trời công suất lớn cũng gây ra những vấn đề ảnh hưởng đến tần số, ổn định hệ thống điện phải quan tâm. Đây là một vấn đề phức tạp hết sức khó khăn trong quá trình vận hành hệ thống điện có tỷ trọng điện mặt trời cao. Với lí do ở trên cho thấy việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu chất lượng điện năng khi tích hợp nguồn năng lượng mặt trời công suất lớn vào lưới điện khu vực tỉnh ĐắkLắk’’ là một yêu cầu mang tính cấp thiết trong bối cảnh nguồn tỷ trọng nguồn 2 mặt trời chiếm càng nhiều. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của đề tài là đánh giá phân tích tác động của điện mặt trời đến lưới điện khu vực tỉnh Đắk Lắk trong việc vận hành đến năm 2025. Từ đó đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng vận hành hiệu quả cho lưới điện. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống điện của khu vực tỉnh ĐắkLắk khi đấu nhà máy điện mặt trời công suất lớn năm 2025. b. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu các tác động của nhà máy điện mặt trời công suất lớn tỉnh Đắk Lắk đến tần số, điện áp của lưới điện khu vực tỉnh và Việt Nam. Lựa chọn các thiết bị công nghệ để nâng cao độ tin cậy lưới điện. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập và nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến vấn đề chất lượng điện năng, độ ổn định điện áp, tần số nguyên tắc làm việc điện mặt trời nối lưới quy mô lớn. Phương pháp xử lý thông tin: thu thập và xử lý thông tin định lượng về lưới điện truyền tải có tích hợp điện mặt trời công suất lớn đến 2025 của tỉnh Đắk Lắk. Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, mô phỏng bằng phần mềm, so sánh và phân tích để đánh giá ảnh hưởng của việc tích hợp điện mặt trời có công suất lớn vào lưới điện và lựa chọn thiết bị để nâng cao hơn sự ổn định chất lượng điện năng (tần số điện áp). 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Qua kết quả của luận văn này cho thấy lưới điện có tích hợp điện mặt trời với quy mô lớn, khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới và giải pháp được đề cập đến trong luận văn này cơ bản đã giải quyết được vấn đề nêu trên. Đề tài có thể được dùng để tham khảo trong việc thiết kế, vận hành nhà máy điện mặt trời nối lưới có công suất lớn. 6. Cấu trúc của luận văn Nội dung luận văn gồm các phần chính sau: CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 3 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA CÁC THIẾT BỊ VÀ QUY ĐỊNH ĐẤU NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG KHI TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN VÀO LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC TỈNH ĐẮK LẮK KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4 1. CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC PIN QUANG ĐIỆN 1.1.1. Cấu tạo tế bào quang điện Vật liệu để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau. Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p – n (xem hình 1.1). Hình 1.1. Cấu tạo Pin quang điện 1.1.2. Nguyên lý làm việc của tế bào quang điện Khi ánh sáng chiếu vào, điện tử e- hấp thụ năng lượng lượng tử ánh sáng photon E=hv và chuyển lên mức năng lượng cao (lên vùng dẫn) và có thể trở thành điện tử tự do (h≈6.6260693.10-34 (J.s) - hằng số Plank, v tần số ánh sáng) (xem hình 1.2). Hình 1.2. Nguyên lý làm việc Pin Quang điện 5 Khi nguyên tử thiếu 1 electron (e-) được gọi là lỗ trống (h+). Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn (xem hình 1.3). Hình 1.3. Sự dịch chuyển các electron 1.1.3. Mạch điện (mô hình) tương đương pin quang điện Một mô hình mạch tương đương đơn giản cho một tế bào quang điện bao gồm một diode thực song song với một nguồn dòng lý tưởng (xem hình 1.4). Hình 1.4. Mạch điện tương đương đơn giản của Pin Mặt trời Từ mạch điện tương đương như hình ở trên ta có thể viết: I = Isc – Id (1.1) Với Id dòng điện qua diode (dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc P-N) được xác định bằng: Id = I0(eqV/kT -1) Trong đó: I0 : dòng bão hòa của diode q : điện tích electron (q=1,602.10-19C) k : là hằng số Boltzman (1,381.10-23J/K) T : là nhiệt độ môi trường (0K) (1.2) 6 𝑞𝑉𝑑 1,602. 10−19 𝑉𝑑 𝑉𝑑 = . = 11600 −23 𝑘𝑇 1,381. 10 𝑇(𝐾) 𝑇(𝐾) Ở nhiệt độ tiêu chuẩn 250C, dòng qua diode là: 𝐼𝑑 = 𝐼0 (𝑒 3819𝑉𝑑 − 1) a) b) Hình 1.5. a) Dòng điện ngắn mạch; b) Điện áp hở mạch Pin mặt trời Có hai điều kiện cần đặc biệt quan tâm đến các PV thực tế và mạch tương đương của nó. Trên hình 1.5a cho ta thấy khi ngắn mạch Pin mặt trời thì sẽ không có dòng đi qua diode, khi đó Vd=0, dòng ngắn mạch chính bằng dòng Isc. Ngược lại, khi ta hở mạch thì dòng điện qua tải sẽ bằng không I=0 và điện áp Pin mặt trời lúc này V=Voc. 𝑉0𝑐 = 𝑘𝑇 𝐼𝑠𝑐 ln⁡( + 1) 𝑞 𝐼0 (1.3) Khi ở 250C: 𝑉0𝑐 = 0.0257 ln( 𝐼𝑠𝑐 + 1) 𝐼0 Từ (1.3) và (1.4) ta vẽ được đường đặc tính U-I (xem hình 1.6) Hình 1.6. Đặc tính U-I của Pin Quang điện (1.4) 7 1.2. CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI Hiện nay trên thế giới có hai loại công nghệ điện mặt trời chính là nhiệt mặt trời tập trung (CSP) và pin quang điện. Về cơ bản, công nghệ điện mặt trời CSP sử dụng nguồn năng lượng nhiệt từ mặt trời để đốt nóng hơi nước làm quay tuabin như nguyên lý của các nhà máy nhiệt điện. Còn công nghệ điện mặt trời PV sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời để tạo ra điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện. Do đặc thù nhà máy điện mặt trời CSP có dây chuyền công nghệ phức tạp, cần phải có nhiều hệ thống phụ trợ đi kèm, lại chỉ có thể sử dụng được thành phần trực xạ của nguồn năng lượng mặt trời nên công suất lắp đặt còn hạn chế. Tính đến cuối năm 2015, tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời CSP trên thế giới khoảng 4.800 MWp (xem hình 1.7). Nguồn: Báo cáo toàn cầu năm 2016 của tổ chức REN21 Hình 1.7. Tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời CSP trên thế giới Trong khi đó, nhà máy điện mặt trời PV với công nghệ sử dụng đơn giản, điều kiện lắp đặt dễ dàng và phù hợp với nhiều nơi khác nhau nên được quan tâm phát triển rộng rãi. Tính đến cuối năm 2015, tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời PV trên thế giới khoảng 227.000 MWp (xem hình 1.8). Nguồn: Báo cáo toàn cầu năm 2016 của tổ chức REN21 Hình 1.8. Tổng công suất lắp đặt nhà máy điện mặt trời PV trên thế giới