Tài liệu Nghiên cứu giải pháp ổn định công suất ngắn hạn cho hệ thống điện mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN HOÀNG CAO TRÍ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT NGẮN HẠN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Ngƣời hƣớng dẫn: TS. ĐỖ VĂN CẦN i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của tôi đã thực hiện. Các kết quả nghiên cứu của luận văn là trung thực, các tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ. Bình Định, ngày tháng Tác giả luận văn Hoàng Cao Trí năm 2022 ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các Thầy (Cô) giáo trong Khoa Kỹ Thuật và Công Nghệ trƣờng Đại Học Quy Nhơn đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Đỗ Văn Cần, Thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ thực hiện luận văn này. Trong thời gian làm việc với Thầy, tôi không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập đƣợc tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho tôi trong quá trình học tập và công tác sau này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè và gia đình đã động viên, trao đổi, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận văn này! Tôi xin chân thành cảm ơn! Bình Định, ngày tháng Tác giả luận văn Hoàng Cao Trí năm 2022 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... ix DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT .............................................................................. x LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................... 1 2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................................... 2 3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu đề tài ................................................................. 5 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 6 5. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................... 6 Chƣơng 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI.................................. 7 1.1 Tổng quan hệ thống điện mặt trời ............................................................................ 7 1.1.1 Điện mặt trời hòa lƣới trên thế giới ................................................................. 7 1.1.2 Suất đầu tƣ hệ thống pin quang điện ............................................................. 10 1.1.3 Các nguồn điện mặt trời tại Việt Nam ........................................................... 12 1.2 Các sơ đồ nối lƣới hệ thống điện mặt trời .............................................................. 14 1.2.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lƣới (On grid) ..................................................... 14 1.2.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập ...................................................................... 15 1.2.3 Hệ thống điện mặt trời hỗn hợp ..................................................................... 16 1.3 Một số đặc điểm của hệ thống điện mặt trời .......................................................... 17 1.3.1 Ƣu điểm ......................................................................................................... 17 1.3.2 Nhƣợc điểm ................................................................................................... 18 1.4 Kết luận chƣơng 1 .................................................................................................. 18 Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU CÁC ẢNH HƢỞNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐẾN LƢỚI ĐIỆN ............................................................................................... 19 iv 2.1 Tác động các hệ thống điện mặt trời đến lƣới điện truyền tải ................................ 19 2.1.1 Đặc tính công suất khi thay đổi bức xạ đầu vào của hệ thống điện mặt trời . 19 2.1.2 Ảnh hƣởng của nguồn PV đến quá trình điều độ .......................................... 21 2.1.3 Ảnh hƣởng đến ổn định hệ thống điện .......................................................... 22 2.2 Tác động các hệ thống điện mặt trời đến lƣới điện phân phối ............................... 23 2.2.1 Ảnh hƣởng đến ổn định điện áp lƣới điện ..................................................... 23 2.2.2 Ảnh hƣởng của nguồn PV công suất nhỏ và vừa .......................................... 26 2.3 Đề xuất các giải pháp ổn định công suất ngắn hạn đầu ra ..................................... 28 2.3.1 Các giải pháp cho việc tích hợp và vận hành các nguồn PV trên lƣới điện .. 28 2.3.2 Các giải pháp từ góc nhìn quản lý tập trung hệ thống điện ........................... 29 2.3.3 Các giải pháp từ nhà đầu tƣ hệ thống điện mặt trời ....................................... 30 2.4 Kết luận chƣơng 2 .................................................................................................. 32 Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT NGẮN HẠN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI ............................................. 33 3.1 Giải pháp sử dụng siêu tụ kết hợp lƣu trữ cục bộ................................................... 33 3.1.1 Siêu tụ ............................................................................................................ 33 3.1.2 Phƣơng pháp nạp cân bằng thụ động ............................................................. 34 3.1.3 Phƣơng pháp nạp cân bằng chủ động ............................................................ 34 3.1.4 Mô hình nguồn ắc quy ................................................................................... 36 3.1.5 Mô hình hệ thống PV ..................................................................................... 36 3.1.6 Nghiên cứu vận hành kết hợp hệ thống lƣu trữ cục bộ.................................. 37 3.1.7 Các bộ biến đổi trong hệ điện mặt trời nối lƣới có tham gia siêu tụ ............. 38 3.2 Nghiên cứu vận hành các tấm pin nhằm tối ƣu công suất đầu ra ........................... 40 3.2.1 Tái cấu trúc toàn phần – TCT ........................................................................ 41 3.2.2 Tái cấu trúc nốp tiếp song song – SP............................................................. 42 3.2.3 Tái cấu trúc hỗn hợp TCT và SP để cấu hình lại mảng quang điện .............. 43 3.3 Giải pháp sử dụng Micro Inverter .......................................................................... 50 3.3.1 Giải pháp micro-inverter giúp quản lý từng modul PV dễ dàng ................... 51 3.3.2 Giải pháp micro-inverter giúp giảm điện áp DC tăng tuổi thọ hệ thống ....... 52 v 3.3.3 Giải pháp micro-inverter giúp khắc phục hậu quả bức xạ không đồng đều ở các chuỗi của String – inverter ................................................................................. 54 3.4 Kết luận chƣơng 3 .................................................................................................. 57 Chƣơng 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................................................................... 58 4.1 Giải pháp ổn định công suất ngắn hạn dùng siêu tụ ............................................... 58 4.2 Giải pháp sử dụng siêu tụ kết hợp lƣu trữ cục bộ................................................... 62 4.3 Giải pháp tái cấu trúc hệ thống PV......................................................................... 63 4.4 Giải pháp sử dụng Micro Inverter .......................................................................... 69 4.5 Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................. 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 73  Kết luận ......................................................................................................... 73  Kiến nghị ....................................................................................................... 73  Hướng phát triểu đề tài ................................................................................. 73 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................... 74 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Công suất lắp đặt hệ thống pin quang điện từ năm 2000 đến năm 2018... 7 Hình 1.2: Hiện trạng các hệ thống điện mặt trời quang điện áp mái và các dạng khác. ................................................................................................................................ 9 Hình 1.3: Hiện trạng các loại năng lƣợng tái tạo [13] .............................................. 10 Hình 1.4: Suất đầu tƣ nhà máy pin quang điện tính đến năm 2019. ........................ 10 Hình 1.5: Giá mô đun quang điện (theo công nghệ sản xuất) tại một số quốc gia trong giai đoạn 2013-2018 [15] .................................................................................... 11 Hình 1.6: Số lƣợng nhà máy điện mặt trời hòa lƣới 30/06/2019Error! Bookmark not defined. Hình 1.7: Số lƣợng nhà máy điện mặt trời hòa lƣới 30/06/2019Error! Bookmark not defined. Hình 1.8: Sơ đồ nối điện mặt trời hoà lƣới ............................................................... 15 Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập........................................................ 15 Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống điện mặt trời hỗn hợp .................................................... 16 Hình 2.1: Biểu đồ công suất phát của một nhà máy điện mặt trời tại Ninh Thuận .. 20 Hình 2.2: Phân tích Fourier của tín hiệu nhận đƣợc tại vị trí PV, (a) với 20% tải, (b) với 80% tải [18]. ........................................................................................................... 21 Hình 2.3: Ảnh hƣởng của PV đến các chỉ số: (a) MVDI, (b) AFLI, (c) SRCI và (d) FLLR ............................................................................................................................. 25 Hình 2.4: Ảnh thực tế đầu ra công suất khi có sự thay đổi bức xạ NLMT .............. 28 Hình 3.1: Hình ảnh một siêu tụ................................................................................. 33 Hình 3.2: Mạch nạp cân bằng thụ động (passive balancing) .................................... 34 Hình 3.3: Mạch nạp cân bằng chủ động (active balancing) ..................................... 35 Hình 3.4: Switch bán dẫn ở chế độ nạp cân bằng chủ động ..................................... 35 Hình 3.5: Sơ đồ thay thế tấm quang năng PV .......................................................... 36 Hình 3.6: Đặc tính V-A - P của tấm pin mặt trời ..................................................... 38 Hình 3.7: Sơ đồ các bộ chuyển đổi DC/DC; DC/AC ............................................... 39 vii Hình 3.8: Biểu diễn công suất đầu ra hệ thống 100kW khi thời tiết bình thƣờng (a) và khi có biến động bức xạ (b) ...................................................................................... 39 Hình 3.9: Công suất hệ thống điện mặt trời khi có siêu tụ ....................................... 40 Hình 3.10: Mô hình tái cấu trúc toàn phần TCT (a) và nối tiếp song song SP (b) ... 41 Hình 3.11: Mô hình kết nối TCT trƣớc (a) và sau khi cấu hình (b) ......................... 41 Hình 3.12: Đặc tính I-V và P-V trƣớc (a) và sau (b) cấu hình theo TCT ................. 42 Hình 3.13: Mô hình kết nối SP trƣớc (a) và sau khi cấu hình (b) ............................ 43 Hình 3.14: Đặc tính I-V và P-V trƣớc (a) và sau (b) cấu hình theo SP .................... 43 Hình 3.15: Kết nối sơ đồ SP trƣớc (a) và sau (b) cấu hình ....................................... 44 Hình 3.16: Đặc tính A-V và P-V trƣớc và sau khi cấu hình theo SP ...................... 45 Hình 3.17: Mô hình nguyên lý thực hiện tái cấu trúc hỗn hợp ................................. 47 Hình 3.18: Thực hiện cấu hình PV và cấu hình hỗ hợp nhờ ma trận điều khiển ..... 48 Hình 3.19: Công suất đầu ra của một inveter và của cả hệ thống trong điều kiện lý tƣởng ............................................................................................................................. 48 Hình 3.20: Công suất cửa từng inverter và cả hệ thống khi có bức xạ không đồng nhất ................................................................................................................................ 49 Hình 3.21: Công suất cửa từng inverter và cả hệ thống sau khi tái cấu trúc ............ 50 Hình 3.22: So sánh hệ thống đấu nối String – inverter (a) và Micro-inverter (b) .... 51 Hình 3.23: Biểu đồ công suất đầu ra cho hệ thống từng String và Inverter tổng ..... 51 Hình 3.24: Điện áp DC trên String Invrter và Micro Inverter .................................. 53 Hình 3.25: Đặc tính V-A và V-P của tấm pin và hệ thống PV bức xạ không đồng đều ................................................................................................................................. 54 Hình 3.26: Diod Pypass có chức năng nối tắt khi cell pin có bóng mờ ................... 55 Hình 3.27: Cấu trúc String-inverter và Micro-inverter ............................................ 56 Hình 3.28: Công suất đầu ra hệ String Inverter khi có thay đổi bức xạ ................... 56 Hình 3.29: Công suất đầu ra hệ Micro Inverter khi có thay đổi bức xạ ................... 57 Hình 4.1: Mô hình hoá tấm quan điện trên Matlab Simulink ................................... 58 Hình 4.2: Kết quả mô phỏng đặc tính tấm quang điện PV ....................................... 58 Hình 4.3: Mô hình mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lƣới có sử dụng siêu tụ .. 59 Hình 4.4: Tín hiệu bức xạ ngẫu nhiên đầu vào ......................................................... 59 viii Hình 4.5: Dòng điện DC do hệ thống PV cung cấp ................................................. 60 Hình 4.6: Công suất phát của hệ thống PV............................................................... 60 Hình 4.7: Công suất AC cung cấp hệ thống khi hoà lƣới ......................................... 61 Hình 4.8: Dòng điện hoà lƣới khi có Siêu tụ ............................................................ 61 Hình 4.9: Công suất AC hoà lƣới khi có Siêu tụ ...................................................... 61 Hình 4.10: Mô hình nối lƣới sử dụng nguồn pin mặt trời kết hợp nguồn ắc quy..... 62 Hình 4.11: Đặc tính I – V và Đặc tính P – V ............................................................ 62 Hình 4.12: Điện áp đầu ra U_dc (V) và Công suất đầu ra P (W) ............................. 63 Hình 4.13: Kết quả thực hiệp mô phỏng .................................................................. 63 Hình 4.14: Sơ đồ mô phỏng hệ thống tái cấu trúc 3 mdul /60 tấm pin ................... 64 Hình 4.15: Đặc tính đầu ra P-V của modul PV ........................................................ 64 Hình 4.16: Đặc tính dòng diện cho cả hệ thống ....................................................... 65 Hình 4.17: Đặc tính PV của dãy 1 ............................................................................ 65 Hình 4.18: Đặc tính PV của dãy 2 ........................................................................... 66 Hình 4.19: Đặc tính PV của dãy 3 ............................................................................ 66 Hình 4.20: Cấu hình tối ƣu cho nhóm cấu trúc TCT ................................................ 67 Hình 4.21: Sơ đồ so sánh công suất đầu ra của hệ thống điện mặt trời có (a) hệ thống cấu hình lại Pmax = 9.334W và không có (b) hệ thống cấu hình lại Pmax = 6.542W khi ở các tình huống SP................................................................................... 68 Hình 4.22 Mô hình bức xạ năng lƣợng của 02 tấm pin khi có ảnh hƣởng của che khuất đám mây và không có đám mây.......................................................................... 69 Hình 4.23 Tham số tấm pin mô phỏng ..................................................................... 70 Hình 4.24: Đặc tính bức xạ nhiệt đầu ra của tấm pin ảnh hƣởng bởi mây che khuất ....................................................................................................................................... 70 Hình 4.25: Đặc tính bức xạ nhiệt đầu ra của tấm pin không bị ảnh hƣởng bởi mây 71 Hình 4.26: So sánh đặc tính đầu ra của tấm pin ở hai trạng thái bị che khuất của mây và không bị che khuất ................................................................................................... 71 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Công suất điện mặt trời top 10 quốc gia thế giới ....................................... 8 Bảng 1.2: Suất đầu tƣ nhà máy pin quang điện tại các quốc gia thuộc khối G20 12/2018 .......................................................................................................................... 11 Bảng 1.3: Liệt kê giá bán điện 1 số quốc gia. ........................................................... 12 Bảng 1.4: Tổng công suất các nguồn điện tính đến hết tháng 12 năm 2018. .... Error! Bookmark not defined. Bảng 3.1: So sánh mở rộng của nhiều mẫu bóng râm hơn. ...................................... 46 Bảng 3.2: Sử dụng cấu hình hỗn hợp trƣớc (a) và sau (b) khi thực hiện.................. 46 Bảng 3.3: Đặc tính của một tấm pin ......................................................................... 47 Bảng 4.1: Nhóm cấu trúc SP cho các tấm PV .......................................................... 67 x DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT Viết tắt Giải thích PV- Photovoltaic Quang điện THD Tổng méo hài hòa Micro inverter Biến tần vi mô năng lƣợng mặt trời String inverter Biến tần năng lƣợng mặt trời chuỗi kWh Kilowatt giờ NLMT Năng lƣợng mặt trời NLTT Năng lƣợng tái tạo MVDI Chỉ số lệch điện áp tối đa AFLI Chỉ số tải bộ nạp trung bình SRCI Chỉ số công suất dự trữ trạm biến áp FLLR Tổn thất bộ nạp trên tỷ lệ tải 1 LỜI NÓI ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện có 2 loại mô hình điện mặt trời phổ biến là điện mặt trời hoà lƣới (có lƣu trữ và không lƣu trữ điện năng) và điện mặt trời độc lập. Hệ thống điện mặt trời nối lƣới đƣợc xây dựng ở tất cả các quy mô công suất, từ một vài kW đến hàng trăm MW. Đến năm 2019 sản lƣợng điện mặt trời toàn thế giới đạt 724,1 tỷ kWh, cao gấp gần 4 lần so với năm 2014 và tăng 24,2% so với năm 2018, chiếm 25,8% tổng sản lƣợng điện năng lƣợng tái tạo - NLTT (phi thủy điện) và chiếm 2,7% tổng sản lƣợng điện toàn cầu [1]. Các hệ thống điện mặt trời đang đƣợc tham ngày càng nhiều trong lƣới điện phân phối, việc biến động công suất tức thời hay ngắn hạn ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống điện… Những tác động của điện mặt trời đến chất lƣợng điện năng và hệ thống lƣới điện: - Một là: Ảnh hƣởng của các nguồn quang điện (PV) trên lƣới điện truyền tải: o Gây ra các dao động công suất, tần số và điện áp. o Sự thay đổi các yêu cầu/tiêu chuẩn với các dịch vụ phụ trợ để có thể cân bằng công suất phụ tải trong điều kiện có PV. o Làm giảm quán tính và giảm hệ số cản dao động của lƣới dẫn đến làm giảm tính ổn định của hệ thống điện. o Ảnh hƣởng đến quá trình quá độ điện từ bình thƣờng. o Gây ra các dao động điện áp, các nhấp nháy điện áp vƣợt quá phạm vi quy định làm giảm chất lƣợng điện năng. o Hiệu suất truyền tải của các đƣờng dây phục vụ truyền tải công suất PV lớn thƣờng thấp hơn hiệu suất thông thƣờng. - Hai là: Ảnh hƣởng của các nguồn PV trên lƣới điện phân phối: o Tăng tổn thất và gây ra quá tải ở các đoạn dây gần cuối xuất tuyến. o Quá áp dọc đƣờng dây phân phối và ảnh hƣởng đến hoạt động các thiết bị điều áp lƣới phân phối, cũng nhƣ các thiết bị bảo vệ lƣới. o Mất cân bằng pha. o Giảm hiệu suất máy biến áp trung gian. o Giảm chất lƣợng điện năng do các bộ nghịch lƣu PV thƣờng tạo ra các hài điện áp. 2 Hình 1: Trang trại điện mặt trời Ngày nay, việc sử dụng ngày càng nhiều năng lƣợng mặt trời góp phần vào các chính sách năng lƣợng của Quốc gia. Tăng cƣờng sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo làm giảm phát thải chất ô nhiễm, sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và chất lƣợng không khí tái tạo. Trên toàn cầu, công suất quang điện đã lắp đặt đã đạt 400 GW vào cuối năm 2017 và dự kiến đạt 4.500 GW vào năm 2050. Việc tích hợp các năng lƣợng tái tạo vào các mạng lƣới là điều tối quan trọng đối với các nhà nghiên cứu vì nhu cầu năng lƣợng hiện tại và sự cạn kiệt nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch cũng nhƣ các tác động đến môi trƣờng. Ngày nay, các tấm pin mặt trời là nền tảng của sự phát triển bền vững [2]. Đứng trƣớc những nhu cầu thực tế tác giả cùng giáo viên hƣớng dẫn đặt vấn đề cần giảm sự tác động xấu của các hệ thống điện mặt trời đến lƣới điện hiện nay là giải pháp để có năng lƣợng bền vững. Việc hạn chế tác động xấu từ hệ thống điện mặt trời nhƣ dao động điện áp, tần số biến động và công suất cần đƣợc khắc phục từ các thiết bị trên lƣới do ngành điện lắp đặt, thì việc hạn chế những biến động do hệ thống PV gây ra cũng đƣợc áp dụng phía chủ đầu tƣ, các nhà máy điện mặt trời. Do vậy việc nghiên cứu giải pháp ổn định công suất ngắn hạn của hệ thống điện mặt trời là cần thiết. Tên đề tài: “Nghiên cứu giải pháp ổn định công suất ngắn hạn của hệ thống điện mặt trời” 2. Tổng quan tình hình nghiên cứu Nhiều giải pháp đã đƣợc nghiên cứu tăng công suất đầu ra cho hệ thống điện mặt trời đƣợc công bố trong những năm gần đây. Giải pháp tái cấu trúc hệ thống các tấm pin đƣợc nhiều tác giả trong tài liệu [3], [4] cho thấy hiệu suất của hệ thống mang lại 3 tốt hơn khi sử dụng các cấu trúc linh hoạt, công suất đầu ra đƣợc tối ƣu hoá khi bức xạ đầu vào mặt trời không đồng đều trên bề mặt các tấp PV. Hình 2: Cấu trúc ma trận các tấm pin nhằm nâng cao công suất [3] Trong những năm gần đây, các hệ thống điện mặt trời Châu Âu, Nhật Bản đã thực hiện giải pháp ổn định công suất bằng Micro inverter, hay còn gọi là inverter phân tán. Thay vì sử dụng một bộ inverter chung cho hệ thống năng lƣợng mặt trời, mỗi tấm pin (hoặc cặp pin) sẽ đƣợc đấu với từng Inverter riêng biệt (Micro inverter). Dòng điện ra tại các micro inverter là dòng điện xoay chiều (AC), các micro inverter này đƣợc lắp ngay dƣới tấm pin nhờ thiết kế nhỏ gọn. Các micro inverter trong hệ thống sẽ đƣợc đấu song song và hòa lƣới tối ƣu hoá đƣợc công suất đầu ra. Các cấu trúc chƣa đƣợc áp dụng vào thực tế bởi cấu trúc của bộ biến đổi còn phức tạp và giá thành còn khá cao. - Hệ thống năng lƣợng mặt trời dùng biến tần chuỗi (String inverter). Các bộ Inverter ngày càng đƣợc cải tiến cho phù hợp với thực tế hơn [5]. Inverter với hai mức công suất khác nhau đã đƣợc thiết kế. Đầu tiên, bộ Micro Inverter 300W đƣợc thiết kế và thể hiện hiệu suất cao là 95,5% với THD thấp là 2,1%. Thứ hai, một Inverter 600W đƣợc thiết kế bằng cách sử dụng cùng một cấu trúc liên kết mạch phụ. Thiết kế sơ bộ cho Inverter 600W có hiệu suất là 88,5% và THD thấp là 1,74%. Cuối cùng, một 4 Inverter thứ ba đã đƣợc thiết kế, đƣợc gọi là Inverter chế độ kép, có thể sửa đổi cấu trúc bên trong của nó để xuất ra ở hai mức công suất khác nhau tùy theo nhu cầu. Hình 3: Giải pháp thực hiện String inverter [6] - Giải pháp sử dụng Miro Inverter [6]: Một giải pháp đƣợc đề xuất sử dụng Micro Inverter trong các tài liệu [4], [7], [8] ở lĩnh vực hệ thống điện mặt trời mang lại hiệu quả cao trong việc giảm các dao động điện áp, công suất đƣợc tối ƣu hoá. Hình 4: Giải pháp thực hiện Micro Inverter [9] Việc thay thế các Micro inverter cho các String inverter đã đƣợc áp dụng thử nghiệm ở một số nƣớc trên thế giới, song ở Việt Nam chƣa đƣợc sử dụng do giá thành của hệ thống mang lại còn cao, trong thời gian đến các sản phẩm Micro inverter giảm giá thành hơn sẽ đƣợc đƣa vào thƣơng mại ở Việt Nam. Hình 5 trình bày lý thuyết hoạt động cho trƣờng hợp khả năng phục hồi công suất đƣợc chỉ ra. Phần (a) thể hiện hoạt động bình thƣờng của thiết kế. Cả hai tấm pin mặt 5 trời đều cung cấp năng lƣợng trực tiếp cho tấm pin năng lƣợng mặt trời 300W riêng lẻ đƣợc kết nối trực tiếp với lƣới điện. Trong điều kiện hoạt động bình thƣờng, cả hai tấm pin mặt trời không đƣợc ghép nối với nhau và đang hoạt động cách ly với nhau. Phần (b) cho thấy một lỗi xảy ra trong bộ nghịch lƣu vi mô sơ cấp. Điều này có thể xảy ra ở một trong hai bộ Micro inverter. Khi điều này xảy ra, Micro inverter bị lỗi sẽ bị ngắt kết nối khỏi lƣới điện và bảng điều khiển năng lƣợng mặt trời của nó. Cả hai tấm pin mặt trời đƣợc ghép với nhau vào bộ Micro Inverter đang hoạt động tự cấu hình lại để tạo ra công suất đầu ra 600W. Phần (c) kết quả đƣợc hiển thị Inverter chế độ kép. Việc phối hợp tái cấu trúc hệ thống PV và kết hợp với Micro inverter phần nào đã đƣợc thử nghiệm cho thấy hiệu quả tốt. Nhƣ vậy, ở trên thế giới đã có một số giải pháp cang thiệp vào hệ thống PV của điện mặt trời nhằm tăng hiệu suất sử dụng, nâng cao công suất đầu ra khi có sự thay đổi không đồng đều nguồn bức xạ các tấm pin. Một hƣớng nghiên cứu của tác giả trong bài này là cố gắn giảm giao động công suất ngắn hạn hƣớng đến ổn định lƣới điện trong thời gian ngắn khi bức xạ không đồng đều. Hình 5: Sơ đồ sử dụng micro inverter kết hợp tái cấu trúc lắp ráp PV [7] 3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu đề tài Mục đích chung: Nâng cao chất lƣợng hệ thống điện mặt trời khi hoà lƣới 6 Mục đích riêng: Nhằm ổn định công suất đầu ra ngắn hạn cho các hệ thống điện mặt trời khi có biến động PV đầu vào. Nhiệm vụ nghiên cứu: Đề xuất giải pháp tối ƣu để nâng cao độ ổn định công suất ngắn hạn đầu ra khi có biến động đầu vào phù hợp với quy mô công suất cho từng hệ thống điện mặt trời. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Các hệ thống điện mặt trời hoà lƣới hiện nay Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu giải pháp ổn định công suất đầu ra của hệ thống điện mặt trời có nối lƣới hiện nay. Mô phỏng đánh giá các kết quả đã đề xuất nhằm hƣớng đến thử nghiệm ứng dụng. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Cách tiếp cận: Dựa trên cơ sở lý thuyết về điện mặt trời, các đặc điểm khi nối lƣới các hệ thống này. Dựa trên các nghiên cứu từ các công trình đi trƣớc, tác giả phân tích tổng hợp áp dụng phù hợp với lƣới điện hiện tại của Việt Nam. Đánh giá tác động của hệ thống điện mặt trời đến hệ thống lƣới điện, từ đó đề xuất giải pháp tối ƣu nhằm hạn ổn định công suất ngắn hạn của điện mặt trời. - Phương pháp thực hiện: Các vấn đề khoa học, công nghệ của đề tài sẽ đƣợc tiến hành một cách logic khoa học: Nghiên cứu về lý thuyết, đánh giá các nghiên cứu trƣớc tiến hành mô phỏng và thử nghiệm. Toàn bộ quá trình trên đƣợc thực hiện với sự hỗ trợ của các phần mềm hiện đại nhƣ MATLAB, Simulink, PSS… 7 Chƣơng 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ở chƣơng này tác giả sẽ giới thiệu về các hệ thống điện mặt trời, các sơ đồ đấu nối hệ thống điện mặt trời. Cũng nhƣ các đặc điểm của nó. 1.1 Tổng quan hệ thống điện mặt trời Nguồn điện mặt trời là dạng nguồn năng lƣợng tái tạo vô tận với trữ lƣợng lớn. Đây là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất. Việc tìm các cách thức để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng điện mặt trời này sao cho hiệu quả và thay thế dần các nguồn năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trƣờng đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia [10]. Hệ thống điện mặt trời là hệ thống có tác dụng biến đổi năng lƣợng ánh sáng mặt trời trực tiếp thành năng lƣợng điện thông qua các tấm pin quang điện. Dòng điện một chiều từ các tấm pin quang điện thông qua bộ chuyển đổi điện DC-AC (thiết bị inverter) sẽ chuyển dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều để đấu nối vào lƣới điện, cấp điện cho phụ tải. 1.1.1 Điện mặt trời hòa lưới trên thế giới Trong những năm gần đây với sự phát triển của khoa học công nghệ vật liệu, hiệu suất của Pin quang điện ngày càng đƣợc cải thiện. Bên cạnh đó, giá pin quang điện giảm mạnh đã thúc đẩy cho sự phát triển mạnh mẽ các hệ thống pin quang điện. Theo báo cáo của IEA (Cơ quan năng lƣợng Quốc Tế) tính đến hết năm 2018 công suất lắp đặt điện mặt trời quang điện trên thế giới khoảng 500GW [11]. Hình 1.1: Công suất lắp đặt hệ thống pin quang điện từ năm 2000 đến năm 2018 8 Theo đó, trong thập niên 2000 sự phát triển của các hệ thống pin quang điện trên thế giới ở mức rất thấp. Tuy nhiên trong thập niên tiếp theo từ năm 2011 đến hết năm 2018 công suất lắp đặt tăng 500% so với những năm 2000. Theo dữ liệu tổng hợp của IEA 10 quốc gia có công suất lắp đặt các hệ thống pin quang điện lớn nhất thế giới tính đến hết năm 2018 là 434 GW chiếm 86,8% tổng công suất lắp đặt trên toàn thế giới. Bảng 1.1 Công suất lắp đặt của 10 quốc gia có công suất lắp đặt lớn nhất thế giới. Bảng 1.1: Công suất điện mặt trời top 10 quốc gia thế giới Công suất lắp đặt hằng năm Công suất lắp đặt lũy kế 1 Trung Quốc 45,0 GW 1 Trung Quốc 176,1GW 2 Ấn độ 10,8 GW 2 Mỹ 62,2 GW 3 Mỹ 10,6 GW 3 Nhật Bản 56,0 GW 4 Nhật Bản 6,5 GW 4 Đức 45,5 GW 5 Úc 3,8 GW 5 Ấn Độ 32,9 GW 6 Đức 3,0 GW 6 Ý 20,1 GW 7 Mê Hi Cô 2,7 GW 7 Anh 13,0 GW 8 Hàn Quốc 2,0GW 8 Úc 11,3 GW 9 Thổ Nhỉ Kỳ 1,6GW 9 Pháp 9,0 GW 10 Hà Lan 1,3 GW 10 Hàn Quốc 7,9GW Ngoài ra, các hệ thống điện mặt trời quang điện trên mái đƣợc cho là một giải pháp phát triển bền vững với những ƣu điểm vƣợt trội nhƣ là chính phủ không phải đầu tƣ thêm hệ thống đấu nối, nguồn vốn đầu tƣ xuất phát từ các tổ chức phi chính phủ, cá nhân. Các hệ thống điện mặt trời trên mái giải quyết đƣợc nhu cầu sử dụng điện của hộ gia đình và giảm chi phí năng lƣợng sản xuất. Theo thống kê của IEA các hệ thống năng lƣợng mặt trời quang điện trên mái trong hai năm từ năm 2015 đến năm 2017 tăng vƣợt bậc về công suất lắp đặt trên toàn cầu nhƣng trong năm 2018 giảm nhẹ. 9 Hình 1.2: Hiện trạng các hệ thống điện mặt trời quang điện áp mái và các dạng khác. Ở các quốc gia thuộc khối Đông Nam Á, tình hình phát triển điện mặt trời quang điện có những tăng trƣởng đáng kể. Nhƣ tại Thái Lan, điện từ năng lƣợng mặt trời quang điện đạt công suất 167MW vào năm 2011 và 690,6 MW vào năm 2013, công suất lắp đặt dự kiến sẽ tăng lên 2000MW vào năm 2021. Tại Malaysia, năm 2012 đã có 46,81MW điện từ năng lƣợng mặt trời đang hoạt động và 110,18MW đang xây dựng, dự kiến đến năm 2050 sẽ tăng lên 9GW. Tại Indonesia, điện từ năng lƣợng mặt trời đƣợc lắp đặt chỉ đạt 14MW vào năm 2011, nhƣng số lƣợng này tăng lên 59MW vào năm 2013. Tính đến năm 2013, chính phủ Indonesia đang đấu thầu 80 dự án liên quan đến sự phát triển của các nhà máy điện mặt trời sẽ có công suất tổng cộng lên đến 140MW. Tại Singapore, điện từ năng lƣợng mặt trời đƣợc lắp đặt chỉ đạt 3,7MW vào năm 2011 và tăng lên 5,26MW vào năm 2012 [12]. Tuy có sự tăng trƣởng rất mạnh mẽ nhƣng so với các nguồn năng lƣợng khác thì nguồn năng lƣợng mặt trời quang điện vẫn còn hạn chế. Theo báo cáo của REN21 [13] năng lƣợng tái tạo chiếm 26,2% trong đó các hệ thống quang điện chiếm 2,4%.