Đánh giá tá động sóng hài ủa hệ thống pin mặt trời đến lưới điện phân phối

57ệố2.4.Giới thiệu và mô tả các khối chức năng cơ bản mô phỏng hệ thống điện đượ ử ục s d ng trong Simulink .... ậTuy nhiên các nguồn năng lượng truyền thống đang đư c khai thác như: tha

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

m ặ t trờ ế i đ n lư ới điệ n phân phố i

HOÀNG THANH HẢI

Hoangthanhhai.bka.93@gmail.com

Ngành Kỹ thuật điện Chuyên ngành Hệ thống điện

Giả ng viên hư ớ ng dẫn: TS Lê Đức Tùng

B ộ môn : H ệthống điện

HÀ NỘI, /2020 07

L Ờ I CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào T o Sau Đạ ại H c, b môn Hê Th ng Điệọ ộ ố n trư ng ờ

Đạ ọi h c Bách Khoa Hà N i đã t o đi u ki n thuận l i cho ộ ạ ề ệ ợ tôi học tập và thực hiện n luậvăn tốt nghiệp này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Đức Tùng đã tận tình hướng dẫn chỉ

bảo tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tác giả luận văn

Hoàng Thanh Hải

L ỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án t t nghi p: ố ệ “ Đánh giá tác động sóng hài c a hệ thống pin ủ

mặt trờ đếi n lư i điớ ện phân phối ”do em t nghiên cự ứu dưới sự hư ng dẫ ủa thầy giáo ớ n c

TS Lê Đức Tùng Các s liệố u và k t qu ế ảlà hoàn toàn đúng với th c t ự ế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ ử ụ s d ng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham kh o và không sao chép hay sả ử ụ d ng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện

có s sao chự ép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Hoàng Thanh Hải

M Ụ C LỤ C

M Ụ C LỤ 3 C

DANH SÁCH HÌNH VẼ 6

DANH SÁCH BẢNG BI U Ể 9

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 10

M Ở ĐẦ U 11

1 Lý do chọ n đ ề tài 11

2 Mụ c đích, đ i tư ố ợ ng, phạm vi nghiên cứu củ a lu n văn 11 ậ 3 Nội dung chính và bố c ụ c luận văn 12

4 Phương pháp nghiên cứ u 12

5 K ế t luậ 12 n CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG 13

1.1 M u ở đầ 13

1.2 H ệ thống PV s ử ụ d ng năng lư ợ ng m ặ t tr i 15 ờ 1.2.1 Tổng quan về ệ ố h th ng PV 15

1.2.2 K ế t luậ 23 n 1.3 Sóng hài trong hệ ố th ng điện 24

1.3.1 Tổng quan về sóng hài 24

1.3.2 Nguyên nhân sinh ra sóng hài 27

1.3.3 Ả nh hưởng của sóng hài 29

1.3.4 Sóng hài do kế ố t n i nguồn điệ n phân tán sinh ra trong lư i đi ớ ệ n 30

1.3.5 M ộ t số tiêu chuẩn giớ ạ i h n thành phầ n sóng hài trên lư ớ i 32

1.3.6 M ục tiêu củ ề a đ tài 34

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH MÔ PHỎ NG H TH NG PV NỐ Ệ Ố I LƯ Ớ I B NG Ằ MATLAB/SIMULINK 36

2.1 M u ở đầ 36 2.2 Mô hình hệ ố th ng PV kế ố t n i lư i 36 ớ 2.3 Mô hình pin mặ t tr i 37 ờ 2.3.1 Giớ i thi u về pin mặt trời 37 ệ

2.3.2 B ộ chuyể n đ ổ i DC DC (Boost converter) vớ - i đi ề u khiển bám điểm

công su ấ ự t c c đ ạ i (Maximum Power Point Tracking – MPPT) 44

2.3.3 B ộ chuyể n đ ổ i DC AC 54

-2.3.4 Mạch điều khiể n toàn h th ng 57 ệ ố 2.4 Giới thi ệu và mô tả các kh ối chứ c năng cơ b ả n mô phỏng hệ thống điện đượ ử ụ c s d ng trong Simulink 58

2.4.1 Khối nguồn ba pha 59

2.4.2 Khối RLC 3 pha mô tả thông số đường dây 60

2.4.3 Khối máy biến áp 61

2.4.4 Khối đo điện áp và dòng điện 3 pha 63

2.4.5 Khố i ph t i RLC 3 pha nố ế ụ ả i ti p 64

2.4.6 Khố i ph t i RLC 3 pha mắc song song 65 ụ ả 2.4.7 Khố ố ấ i n i đ t Ground 65

2.4.8 Khối đo điệ n áp pha ho c đi n áp dây 65 ặ ệ 2.4.9 Khố i đo tín hi ệ u hi u d ệ ụ ng 65

2.4.10 Khối Scope 66

2.4.11 Khố i đo công su ấ t tác d ng P và công suất phản kháng Q 67 ụ 2.4.12 Khố i ph t i đ ng 67 ụ ả ộ 2.4.13 Khố i đư ờ ng dây truy n t ề ả i 69

2.4.14 Khối Powergui 70

CHƯƠNG 3 : ĐÁNH GIÁ NH HƯ Ả Ở NG V SÓNG HÀI CỦ Ề A PV Đ Ố I VỚ I LƯ Ớ I ĐIỆ N 72

3.1 Mô hình lướ i 13 nút IEEE 72

3.1.1 Các thông số ủ c a lư i 72 ớ 3.1.2 K ế t quả mô ph ng sóng hài c ỏ ủ a lư ớ i IEEE 13 nút (Khi không có PV) 76 3.2 K ế t quả mô phỏng sóng hài khi nguồn PV kế ố t n i lư i đi n 78 ớ ệ 3.2.1 Đ c đi ặ ể m ngu n PV 78 ồ 3.2.2 K ị ch bả n 1: K ế t nố i PV vào lư i đơn gi ớ ả n 81

3.2.3 K ị ch bả n 2: K ế t nố i PV vào lư ớ i IEEE 13 nút 83

3.3 Đề ấ ộ ọ xu t b l c sóng hài 93

3.3.1 Tổng quan về ộ ọ b l c sóng hài 93

3.3.2 Tính toán thông số bộ ọ ầ l c đ u ra 96

3.3.3 Mô hình ngu n PV khi l ồ ắp thêm b ộ ọ l c thông th ấp .97

3.3.4 Kịch bản 1: Kết nố i PV vào lư i đơn giả ớ n 98

3.3.5 K ị ch bản 2: Kết nố i PV vào lư ớ i IEEE 13 nút 98

K Ế T LUẬ 108 N TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình hệ thống PV hoạt động độc lập 16

Hình 1.2: Mô hình hệ thống PV kết nối lưới 17

Hình 1.3: Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời nối lướ 18i Hình 1.4: C u t o pin ấ ạ mặt trời 19

Hình 1.5: Nguyên lý hoạ ột đ ng bộ ề đi u khiể ạc 20n s Hình 1.6: Dạng sóng điều hòa bất kì 25

Hình 1.7: Các thành ph n cầ ủa sóng điều hòa 25

Hình 1.8: Phân tích Fn thành an và bn 26

Hình 1.9: Hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến áp 28

Hình 2.1: Sơ đồ kh i hệ thốố ng năng lượng mặ ờ ế ố ốt tr i k t n i n i lưới 36

Hình 2.2 : C u t o và nguyên lý hoấ ạ ạ ột đ ng của pin m t tr i 37ặ ờ Hình 2.3: Mạch tương đương c a m t t ủ ộ ếbào pin mặt trời 39

Hình 2.4: Mô hình pin mặ ờt tr i trong Matlab/Simulink 40

Hình 2.5: Đồ ị th ờcư ng độ ánh sáng và nhiệ ột đ 41

Hình 2.6: Đặc tính I – V và P – V khi cường độ chiếu sáng thay đổi 42

Hình 2.7: Đặc tính I – V và P V của pin mặ ời khi nhiệ ộ– t tr t đ thay đổ ừ ˚i t 0 C đ n ế 100˚C 43

Hình 2.8: Sơ đồ mô ph ng dàn pin m t trời Error! Bookmark not defined.ỏ ặ Hình 2.9: Đồ ị ố th m i quan h gi a nhiệ ữ ệt độ và Iph-array. Error! Bookmark not defined. Hình 2.10: Đồ ị ố th m i quan hệ giữa nhiệ ột đ và Rs-array. Error! Bookmark not defined. Hình 2.11: Mạch tương đương của dàn pin mặt trời Error! Bookmark not defined. Hình 2.12: Sơ đồ mô ph ng Diode Error! Bookmark not defined.ỏ Hình 2.13: Đồ ị ố th m i quan hệ giữa nhiệt độ và Isat-array. Error! Bookmark not defined. Hình 2.14: Đồ ị ố th m i quan hệ giữa nhiệ ột đ và VT-array. Error! Bookmark not defined. Hình 2.15: Đồ ị ố th m i quan hệ giữa nhiệ ột đ và Rp-array. Error! Bookmark not defined. Hình 2.16: Đồ ị th VPV Error! Bookmark not defined. Hình 2.17: Đồ ị th IPV Error! Bookmark not defined. Hình 2.18: Sơ đồ mô ph ng b biế ổỏ ộ n đ i DC-DC 44

Hình 2.19: Mô hình bộ biế ổn đ i Boost 45

Hình 2.20: Mạch tương đương khi S đóng Error! Bookmark not defined. Hình 2.21: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng 46

Hình 2.22: Mạch tương đương khi S mở 46

Hình 2.23: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở 47

Hình 2.24: Đặc tuy n I-ế V, P V của pin mặt trời vớ- i điểm công suất cự ạc đ i 48

Hình 2.25:Các điểm MPP dư i điớ ều ki n th i tiệ ờ ết thay đổi 49

Hình 2.26: Phương pháp điện dẫn gia tăng 50

Hình 2.27: Mô hình bộ ề đi u khiển MPPT 51

Hình 2.28: Sơ đồ kh i cố ủa phương pháp MPPT điều khiển tr c ti p chu kỳự ế nhi m v D.ệ ụ 51

Hình 2.29: Lưu đồ thu t toán INC đi u khiểậ ề n tr c ti p h s ự ế ệ ốD 52

Hình 2.30: Đồ ị th Vdc đ u ra c a b chuy n đ i DC-ầ ủ ộ ể ổ DC 53

Hình 2.31: Mô hình bộ chuy n đ i DC-ể ổ AC 54

Hình 2.32: Mô hình bộ ngh ch lưu áp DC-ị AC 55

Hình 2.33: Sơ đồ khố ủi c a vòng khóa pha 56

Hình 2.34: Đồ ị th ệđi n áp đầu ra b chuy n đ i DC-ộ ể ổ AC 57

Hình 2.35: Mạch điều khiển toàn h th ng 58ệ ố Hình 3.1: Mô hình lưới IEEE 13 nút 72

Hình 3.2: Mô hình mô phỏng lưới IEEE 13 nút trong Matlab/simulink 75

Hình 3.3: Đồ ị th ờcư ng độ ánh sáng m t tr i 78ặ ờ Hình 3.4: Đồ ị th nhiệt độ 78

Hình 3.5: Đồ ị đặ th c tính V-I và V P củ- a pin mặt tr i 79ờ Hình 3.6: Công suất tác d ng bơm vào lướ ởụ i b i ngu n PV 80ồ Hình 3.7: Sơ đ lưồ ới đơn giản k t nốế i ngu n PV 81ồ Hình 3.8: Mô hình mô phỏng lư i đơn giớ ản kế ốt n i nguồn PV 81

Hình 3.9: Sơ đ lưồ ới IEEE 13 nút kế ốt n i nguồn PV 83

Hình 3.10: Mô hình mô phỏng lưới th nghiệm IEEE kế ố ệ ốử t n i h th ng ngu n PV 84ồ Hình 3.11: Các bộ ọ l c thụ độ ng thư ng gặp 95ờ Hình 3.12: Bộ ọ l c thụ độ ng ki u nể ố ếi ti p 95

Hình 3.13: Cấu trúc c a b l c thông thấp 96ủ ộ ọ Hình 3.14: Cấu trúc bộ ọ l c thông thấ ề ấp đ xu t 97 Hình 3.15: Mô hình mô phỏng nguồn PV có bộ lọc thông th p n i lư i 98ấ ố ớ

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Mật đ năng lưộ ợng mặ ờt tr i trung bình năm và số ờ ắ gi n ng theo khu vực.[2] 14

Bảng 1.2: Công suất lắ ặp đ t điện từ Năng lượng tái tạo giai đoạn 2011 2030 [3] 14Bảng 1.3: Giớ ại h n nhi u đi n áp theo tiêu chuẩn IEEE std 519 32ễ ệBảng 1.4: Giớ ại h n nhi u dòng đi n theo tiêu chu n IEEE std 519 33ễ ệ ẩBảng 1.5: Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 33

-Bảng 3.1: Điện trở và điện kháng của đường dây trong hệ đơn v pu ( Uị cb = 13,8kV, Scb = 10000kVA) 72Bảng 3.2:Thông s máy bi n áp.ố ế 73Bảng 3.3: Thông số ụ ả ph t i 74

Bảng 3.4: Bảng tổng hơp giá tr THDv trong các trường hợp khi kết nốị i lưới IEEE 13 nút 92Bảng 3.5: Bảng tổng hơp giá trị THDv trong các trư ng h p ngu n PV có b l c k t n i ờ ợ ồ ộ ọ ế ốlưới IEEE 13 nút 105

Bảng 3.6: Bảng tổng hơp giá trịTHDv của kịch bản 1 và 2 khi chưa có bộ ọc và sau khi l

có bộ ọ l c 105

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

PV: PhotoVoltaic : Pin quang điện (pin m t tr i) ặ ờ

MPP: Maximum Power Point: Điểm công suất cự ại c đ

MPPT: Maximum Power Point Tracking: Dò tìm điểm công su t cấ ực đại

P&O: Perturb and Observe: Phương pháp nhiễu loạn và quan sát

INC: Incremental Conductance: Phương pháp độ ẫ d n điện tăng

PWM: Pulse Width Modulation: Điều ch r ng xung ế độ ộ

SVM: Space Vecto Modulation:Điều ch vecto không gian ế

VOC: Voltage Oriented Control:Phương pháp điều khi n “tể ựa đi n áp lưệ ới”

PLL: Phase – Locked Loop:Thuật toán vòng khóa pha –

M Ở ĐẦ U

1 Lý do chọ n đ ề tài

Nhu cầu về năng lư ng trong thờ ạợ i đ i khoa học kỹ thu t không ngừng gia tăng ậTuy nhiên các nguồn năng lượng truyền thống đang đư c khai thác như: than đá, dợ ầumỏ, khí đốt, khí thiên nhiên và ngay c thả ủy đi n… đang ngày càng cệ ạn kiệt Không những thế chúng còn có tác h i xạ ấu đối với môi trường: gây ra ô nhiễm môi truờng,ô nhiễm

tiếng ồn, mưa axit, tăng nhiệt đ trái độ ấ đánh ủt, th ng tầng ozon Do đó, việc khai thác s ử

dụng các nguồn năng lượng mớ , nguồi n năng lượng tái tạ như năng lượo ng địa nhiệt,năng luợng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối là r t cấ ần thiết

Việc nghiên cứu năng lượng mặt trời ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhất là trong tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng năng lượng hiện nay Năng

lượng m t trời là nguồặ n năng lượng s ch, dồi dào, không gây ô nhiễm mạ ôi trường và không gây ô nhiễm tiếng ồn… Hi n nay, năng lượng mặ ờệ t tr i đã d n dần đầ i vào cuộc

sống của con ngư , chúng đượời c áp dụng khá rộng rãi trong dân ng và trong công dụnghiệp dưới nhiều hình thức khác nhau

H ệthống pin năng lượng mặt trời ết ối lướ điệ không chỉ cung cấp năng lượng k n i n cho tả ịi đ a phương mà còn cho phép trao đ i công suất vớổ i lư i điớ ện t o ra nhi u ạ ề ưu

điểm, tăng đ tin c y cung cấộ ậ p điện Nhưng bên c nh đó, ạ h ệ thống này cũng gây ra

nh ng ữ ảnh hưởng không tố ết đ n hệ ố th ng đi như: ện vấn đề ề v an toàn, quá áp, dao động công suất, sóng hài, dao động tần số… Việc phân tích và đánh giá các ảnh hư ng đở ến lưới khi kết nối hệ ố th ng năng lư ng m t tr i là bước quan trọợ ặ ờ ng đầu tiên cho phép các nhà khoa học đề ra các biện pháp giải quyết Vì v y, tác giả chậ ọn đề tài ận văn: lu

2 Mụ c đích, đ i tư ố ợ ng, phạm vi nghiên cứu củ a lu n văn ậ

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu các mô hình ứng dụng pin năng lượng mặt trờ ; i

Áp dụng phần mềm Matlab/Sinulink để mô phỏng hệ thống PV kết nối lư i điớ ện; Mô phỏng đánh giá nh hưởng sóng hài khi kế ốả t n i PV vào lư i đi n ớ ệ

Đối tượng nghiên c u: H th ng điện phân phối có kết n i PVứ ệ ố ố

Phạm vi nghiên c u: Nghiên cứu về ảứ nh hư ng sóng hài đ n lư i điở ế ớ ện m u IEEE – ẫ

13 nút khi kết nối nguồn PV Ứng d ng bụ ộ ọ l c sóng hài thụ động vào hệ ố th ng đi n phân ệphối có kết nối PV

3 Nội dung chính và bố c ụ c luận văn

Ngoài ph n mầ ở đầ u và kết luận, luận văn này được trình bày trong 3 chương, cụ thể:

Chương 1 Tổng quan chung

Chương 2 Mô hình mô phỏng hệ thống PV nối lướ ằi b ng Matlab/Simulink

Chương 3 Đánh giá ảnh hưởng v sóng hài cề ủa PV đối với lư i điớ ện

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử ụ d ng phần mềm Matlab/Simulink để ự th c hiện xây d ng mô hình, mô ựphỏng và tính toán chỉ ố s sóng hài THDv

5 Kết luậ n

Các kết quả ủ c a nghiên cứu đã chỉ ra được mức độ ả nh hư ng sóng hài c a nguở ủ ồn

PV khi kết nối lư i điớ ện phân phối, đồng th i cũng ki m nghi m tác d ng l c sóng hài ờ ể ệ ụ ọ

của bộ ọc sóng hài thụ độ l ng đối với lư i điớ ện có kết nối PV

Góp phần vào các nghiên cứu sau có liên quan đ n các phương pháp lọc sóng hài ế

áp dụng cho lư i điớ ện có kế ốt n i PV

CHƯƠNG 1 TỔ NG QUAN CHUNG 1.1 M u ở đầ

Năng lượng là yế ốu t vô cùng quan trọng cho sự phát triển của m i quỗ ốc gia Ngày nay, nhu cầu sử ụ d ng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh mẽ do các ngu n ồnăng lượng hóa th ch đang d n c n ki t và chúng gây ra nhữạ ầ ạ ệ ng h u qu v ậ ả ề môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt…

Tổng tiêu thụ năng lượng của con người trên thế giới hiện tại (tính t ng c ng t t c ổ ộ ấ ảcác loại năng lư ng như dợ ầu hỏa, than đá, thủy điện…) khoảng 15 nghìn t Watt, t c là ỷ ứ

chỉ ằ b ng khoảng 1/5000 công suất dự ữ ủtr c a năng lượng mặt trời cho Trái đất Trong số

15 nghìn tỷ Watt công su t năng lư ng mà con ngư i đang dùng, thì có đấ ợ ờ ến 37% là t ừ

dầu hỏa, 25% là than đá và 23% là khí đốt (tổng cộng ba thứ này đã đến 85%), là những nguồn năng lượng cạn kiệt nhanh chóng và không phụ ồ ạc h i l i được

Với tố ộc đ khai thác hiện tại, thì các nguồn năng lượng hóa thạch sẽ ầ g n như h t đi ếtrong thế ỷ k 21 Tương lai năng lư ng thợ ế gi i không thể ằớ n m ở những nguồn này, mà phải nằm ở nh ng nguồn năng lượng tái tạo, ví dụ như năng lượng gió và thủy năng ữ

Nhưng tổng cộng dự trữ ủa tất cả các nguồ c n khác này (trong đó chủ yếu là gió) chỉ ằng bkhoảng 1% ngu n dồ ự ữ tr năng lư ng mặt tr i Bợ ờ ởi vậy có thể nói tương lai năng lượng

của thế giới chính là năng lượng mặt trời

Ở Vi t Nam, v trí đ a lý đã ưu ái cho chúng ta m t ngu n năng lư ng tái t o vô ệ ị ị ộ ồ ợ ạcùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt tr i Nờ ằm gần đư ng xích đờ ạo, Vi t Nam nệ ằm trong khu vực có cư ng đờ ộ ứ b c xạ ặ m t trời tương đ i cao, năng lưố ợng bức xạ ặ m t trời trung bình đ t 4 đạ ến 5kWh/m2 mỗi ngày [1 ].

Bảng 1.1: Mậ ộ t đ năng lượng mặ t tr i trung bình năm và số giờ ắ ờ n ng theo khu vực.[2]

Khu vực Cường độ ứ b c x ạ

mặt trời (kWh/m2/ngày)

S ốgiờ ắng ntrung bình năm (giờ/năm)

-Bảng 1.2: Công suất lắ p đ t đ ện từ Năng lư ặ i ợng tái tạ o giai đo ạn 2011-2030 [3]

Năm Công suấ ắ ặt l p đ t (MW) Năm Công suấ ắ ặt l p đ t (MW)

Tuy nhiên, với tiềm năng l n song năng lướ ợng mặ ờ ạt tr i l i đang gặp những rào cản

lớn về ỹ thuật và các rào cản khác Rào cản kỹ thuật là một trong những thách thức lớn k cho việc sử ụ d ng pin mặ ời hiện nay do giá thành cao và hiệu suất chuyểt tr n đ i năng ổ

lượng còn th p Ngoài ra còn các rào cảấ n khác như thiếu s h trợ ềự ỗ v chính sách c a ủchính phủ, nhận thứ ủa mọc c i người về năng lư ng, sự ợ tham gia của các tổ ứ ch c và cá nhân vào các dự án phát triển nguồn năng lượng tái t o ạ

Để kh c ph c nh ng rào c n đó, đ c bi t là liên quan đ n giá thành và hiệu suất ắ ụ ữ ả ặ ệ ế

của pin mặt trời rất nhiều giải pháp đã được thực hiện Ví dụ như liên quan đến giá thành của pin mặt tr i, các nhà nghiên cờ ứu và sản xuất đã phát triển công nghệ ả s n xuất pin theo hướng hi n đệ ại, liên quan đến vi c cải thiệệ n hi u su t chuyể ổệ ấ n đ i năng lượng có hai phương pháp chủ ế y u đó là c i thi n hi u suấ ủả ệ ệ t c a pin d a trên công ngh s n xu t pin và ự ệ ả ấcải thiện phương pháp sử ụ d ng pin m t tr i ặ ờ

1.2 H ệ th ố ng PV s d ng năng lượng m t tr ử ụ ặ ờ i

1.2.1 Tổng quan về ệ ố h th ng PV

H ệ thống đi n năng lưệ ợng mặt trời được cấu thành chính từ các t m pin m t tr i ấ ặ ờ(pin quang điện) Các tấm pin năng lượng m t tr i trong h thặ ờ ệ ống đóng vai trò hấp th ụánh nắng mặt tr i, chuyờ ển hóa quang năng thành đi n năng và đi n năng đưệ ệ ợc đưa lên

điện lưới ho c lưu tr tr c ti p trên c quy đ ho t đ ng đ c l p H thặ ữ ự ế ắ ể ạ ộ ộ ậ ệ ống điện năng lượng m t trời sẽặ chuy n hóa thành ngu n đi n m t chi u (DC) thành nguồể ồ ệ ộ ề n điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuy n đ i đi n nốể ổ ệ i lưới (inverter)

Tùy thuộc vào nhu cầu của người sử ụ d ng mà hệ ố th ng đi n năng lưệ ợng mặt trời đư c phân ra làm 2 giải pháp chính: ợ

động độ ậc l p mà không dùng đi n t lư i H th ng PV ho t đ ng đ c l p thì s ph c t p ệ ừ ớ ệ ố ạ ộ ộ ậ ẽ ứ ạ

và đắt tiền hơn, cũng như đòi hỏi việc bảo dư ng thư ng xuyên hơn, chẳở ờ ng h n như b ạ ổsung nước trong c quy thư ng xuyên hơn ắ ờ [4]

Hình 1.1: Mô hình hệ thống PV hoạt độ ng đ c lập ộ

Các thành phần của hệ thống PV hoạ ột đ ng độc lập:

- Pin mặ ờt tr i: Là phần giá trị nhất và không thể thi u đư c trong hệ thốế ợ ng PV độc

lập; đóng vai trò bi n đ i cư ng đế ổ ờ ộ ánh sáng mặt trời thành năng lư ng đi n đợ ệ ểchứa trong c quy Kích cắ ỡ ủ c a pin đư c điợ ều chỉnh cho phù hợp với nhu cầ ải u thàng ngày kể ả c trong những tháng có cư ng đờ ộ ặ m t tr i th p nh t ờ ấ ấ

- Ắc quy: ự trữ năng lượ D ng đi n cho ban đêm hoặệ c s d ng khi trời nh u mây; ử ụ iề

đồng th i bơm công su t PV khi nhu c u c a t i tăng lên ờ ấ ầ ủ ả

- B ộ điều khiển sạc MPPT: Điều khi n viể ệc s c và xạ ả ủ c a ắc quy; điều chỉnh dòng

đi n/điệ ện áp vào ắc quy trong lúc s c và b o v pin khạ ả ệ ỏi việ ị ạc b s c quá m c ứ

- Máy phát dự phòng: Cung cấp thêm năng lượng trong những khoảng thời gian

nhiều mây ho c nhu cặ ầu của phụ ả t i tăng

- B ộ nghịch lưu (Inverter): Biến đ i năng lưổ ợng một chiều thành xoay chiều cho các dụng cụ dùng đi n trong gia đình và bi n đ i năng lư ng xoay chiều thành một ệ ế ổ ợchiều cho việc nạp ắc quy; chẳng h n biạ ến đổi nguồn một chiều 12V/24V/48V thành nguồn xoay chiều 110V/220V/230V

- Tải xoay chiều: Chủ ếu là các thiết bị dùng điện trong gia đình 120V hoặc 240V y+) Ưu điểm: Hoạ ột đ ng độc lập, phù hợp cho những nơi chưa có đi n lư i, điệ ớ ện lưới không ổ ịn đ nh ho c giá thành cao ặ

+) Như c điợ ểm: Giá thành đắt và chi phí bảo dưỡng cho ắc quy cao; Tuổi thọ bình

ắc quy t – ừ3 4 năm phải thay mới; Tổn thất nhiều,…

• H ệ thống PV kết nố i lư ớ i (Grid connected PV)

-Hình 1.2: Mô hình hệ thống PV kết nối lướ i.

H ệ thống sẽ chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) từ các tấm pin năng

lượng m t trờặ i thành ngu n đi n xoay chi u (AC) thông qua bộồ ệ ề chuy n để ổi điện nối lưới (inverter) Bộ chuy n đ i này đưể ổ ợc lập trình tự dò Điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracker_MPPT) từ các t m pin nhằm tốấ i ưu đi n năng nh n đưệ ậ ợc từ năng lượng mặ ờt tr i

H ệthống sẽ đồng bộ pha và kết nối giữa điện mặt trời và đi n lưệ ới Trong đó, ưu tiên sử ụ d ng đi n mặ ờệ t tr i cung c p tr c tiấ ự ếp cho tải Cụ thể:

- Khi công suất hòa lưới bằng công suấ ảt t i thì t i s tiêu thả ẽ ụ hoàn toàn đi n từ ệệ h thống điện NLMT

- Khi công suấ ảt t i tiêu th l n hơn công suấụ ớ t hòa lưới thì t i s l y thêm lư i bù ả ẽ ấ ớvào

- Khi công suất t i tiêu thả ụ nh hơn công su t hòa lư i, lư ng điệỏ ấ ớ ợ n th a s y lên ừ ẽ đẩcông tơ điện và được công tơ điện 2 chiều ghi nhận

Lư ng đi n dư s đượ ệ ẽ ợc điện lực mua l i Đây cũng chính là hi u quả ổ ậ ủạ ệ n i b t c a

h ệthống đi n năng lượệ ng m t tr i n i lư i ặ ờ ố ớ

+) Ưu điểm: Bao gồm các ưu điểm của điện mặt trời cụ ộc b ; Cơ ch thông minh ếgiúp giảm ảnh hưởng của th i ti t đ n ch t lư ng đi n đ n m c th p nh t ờ ế ế ấ ợ ệ ế ứ ấ ấ

+) Nhược điểm: Do sử ụng nhi d ều thiết bị phụ ợ tr đi kèm nên toàn hệ ố th ng có chung các nhược điểm là: Chi phí bảo trì cao; Hi u suấệ t chuyển đổi không cao

Mô hình hệ ố th ng năng lư ng mặt trời nốợ i lưới:

Hình 1.3: Mô hình hệ thố ng năng lư ng mặt trời nố ợ i lư i ớ

• Pin m t i ặ trờ

Hình 1.4: C u t o pin mấ ạ ặt tr i ờ

Là thi t bế ị bán d n chứẫ a lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng

mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử ụ d ng được S chuyự ển đổi này gọi là hi u ứng ệquang điện

Theo nguyên lý quang điện, t dàn pin m t tr i, ánh sáng đư c biừ ặ ờ ợ ến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chi u (DC) Công su t ề ấ và đi n cệ áp ủa m t h th ng s ph ộ ệ ố ẽ ụthuộc và cách chúng n i ta ố ghép các t m ấ pin ặ ờ ạ ớ m t tr i l i v i nhau Dòng đi n này đư c ệ ợ

dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hoà tự động các quá trình

nạp điện vào ắ quy và phóng điện từ ắ quy ra các thiết bị điện một chiềc- c- u (DC) Trường hợp công suất giàn pin đủ ớ l n, trong mạch điện sẽ đư c l p thêm bộợ ắ chuy n i đi n đ ể đổ ệ ểchuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhi u thiề ết bị ệ đi n gia dụng (đèn, quạt, radio, TV…)

Các tấm pin mặ ờt tr i được lắp đặt ở ngoài trờ ểi đ có thể ứ h ng đư c ánh nắng tốt ợnhất từ ặ m t trời nên được thi t kế ế ớ v i những tính năng và chất liệu đặc bi t, có th ch u ệ ể ị

đựng đượ ực s kh c nghi t c a th i ti t, khí h u, nhi t độ… ắ ệ ủ ờ ế ậ ệ

• Ắc-quy lưu tr đi n – ữ ệ Solar Baterry:

Là thi t bế ị lưu tr đi n đ s d ng vào ban đêm hoữ ệ ể ử ụ ặc lúc tr i ít hoờ ặc không còn ánh nắng Ắc-quy có nhiều loại như ắc-quy nước axit, ắc-quy mi n bễ ảo dưỡng MF, ắc-quy kín khí VRLA, ắc-quy khô (gel, cadimi, niken) v i kích thư c và dung lư ng (tính ớ ớ ợbằng AH) hoàn toàn khác nhau, tùy thu c vào công suộ ất và đ c điặ ểm của hệ thống pin

mặt trời Hệ thống có công suất càng l n thì cớ ần sử ụ d ng ắc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kế ố ạ ớt n i l i v i nhau

• B ộ điều khiển sạc – Charger controller (Solar):

Hình 1.5: Nguyên lý hoạ t đ ng b đi u khi n s c ộ ộ ề ể ạ

Là thi t b có chế ị ức năng điều khiển việ ạc điệ ừ ấc s n t t m pin m t trời cho ắc-quy, ặ

ổn áp cho dòng điện n p, b o v cho c-quy chạ ả ệ ắ ống nạp quá tải và xả quá sâu nh m nâng ằcao tu i thổ ọ ủ c a bình quy, và giúp hắc- ệ ố th ng pin mặt trời sử ụ d ng hi u quệ ả và lâu dài

B ộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của tấm pin mặt t ời vào ắ quy giúp cho r ngườ ử ụi s d ng ki m soát đư c các ph t i B đi u khiểể ợ ụ ả ộ ề n còn th c hi n vi c b o v n p ự ệ ệ ả ệ ạquá điện th (>13,8V) hoế ặc điện thế thấp (<10,5V) Mạch b o v c a b đi u khi n sẽ ả ệ ủ ộ ề ểthực hiện việc ng t m ch khi bắ ạ ộ ề đi u khiển xác nhận bình ắc-quy đã đư c nạợ p đầy hoặc điện áp củ ấa t m pin mặ ờt tr i quá th p ấ

c-Đó là một thiết bị trung gian giữa h các tệ ấm pin mặt trời và h các bình ệ ắc-quy lưu trữ Nhi m v chính cệ ụ ủa nó là điều khi n viể ệc sạc bình ắc-quy từ nguồn điện sinh ra

t ừpin mặt trời Cụ thể à các nhiệm vụ sau: l

điều khiển ngăn không cho ngu n điồ ện tiếp tụ ạp vào quy có th gây sôi bình và làm c n ắc- ể

ảnh hư ng đở ến tu i th c a bình Khi bình g n cổ ọ ủ ầ ạn đ n ngưế ỡng phải ngắ ể ảt đ b o vệ bình (ví dụ 10.5V đối với ắc-quy 12V), bộ ề đi u khi n sể ẽ ngắt không cho sử ụ d ng tả ể ải đ b o vệ bình không bị "ki t" ệ

điện áp thấp Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V sẽ ừ t kho ng 15 đ n hơn ả ế20V, cao hơn điện áp ắc-quy nên dòng điện sẽ đi t pin xu ng c-ừ ố ắ quy Nhưng ban đêm khi không có ánh nắng, điện áp của pin s th p hơn đi n áp c a c-quy và dòng đi n s đi ẽ ấ ệ ủ ắ ệ ẽ

t c-ừ ắ quy lên ngượ ấc t m pin và "đ t" t m pin, làm gi m hi u suấ ấố ấ ả ệ t t m pin d n d n và có ầ ầthể ỏ h ng tấm pin Vậy nên bộ ề đi u khi n sể ẽ ngăn một cách triệt để không đ cho dòng ểđiện có thể đi ngư c lên t m pin đ tránh hiợ ấ ể ện tượng trên

+ Điều quan trọng nhất: giúp chúng ta đạt hi u su t cao nh t t t m pin mặt trời Có ệ ấ ấ ừ ấchức năng này thì thiết bị này mới có tên gọi là "điều khiển", nghĩa là thiết bị này đi u ềkhiển làm sao để công su t sấ ạc đạt cực đại, nâng cao hiệu suấ ử ụt s d ng củ ấm pin mặt a ttrời Các bộ ề đi u khi n sể ạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ ề đi u khiển đóng c t khi bình đắ ầy hoặc bình cạn và bảo vệ không cho đi n trào lên pin, hiệệ n đ i hơn là sạ ử ụ d ng phương pháp điều khiển độ ộ r ng xung PWM (Pulse – Width Modulation) sử ụng mạch transitor – dđóng cắt liên t c đ n áp s c cho c-quy, phương pháp này có nhượụ ể ổ ạ ắ c điểm l n là làm ớhao phí khoảng trên dư i 20% lư ng điớ ợ ện sạc từ pin mặt tr i Các bờ ộ ề đi u khiển sạc hiện

đạ ử ụi s d ng phương pháp đi u r ng xung không hao phí, có bộề ộ vi x lý và thi t bị đo ử ếchọn đư c điợ ểm có công suấ ự ạt c c đ i MPP (Max Power Point) đ s c cho c-quy ể ạ ắ

+ Phương pháp sạc xung: Các bộ điều khi n sể ạc xung sẽ kéo dài t t hơn tuổố i th c a ọ ủ

ắc-quy Phương pháp s c xung hiệạ n nay đượ ức ng d ng trong việc s c laptop, sụ ạ ạc điện thoại và đư c đánh giá là phương pháp s c ưu viợ ạ ệt nâng cao tu i thổ ọ ủ c a pin hay c-ắ quy

quá tải, chập mạch trong hệ thống, các chức năng bổ sung như t ng bậ ắt thiế ị ạo ự độ t t t b , tdòng 5V để ạ s c đi n tho i ệ ạ

• B ộ điều khiển dòng một chi u – ề Solar DC panel:

B ộ điều khiển dòng một chiều, có nhiệm v thông qua b đi u khiể ạ ểụ ộ ề n s c đ xác đ nh ịxem cần nhận dòng DC t pin mừ ặt tr i s c thêm vào pin hay tiêu thờ ạ ụ đi n từ pin (solar ệbattery)

• B ộ kích điện 3 phase solar inverter: –

B ộ kích điện là m t thi t bộ ế ị ế bi n đ i đi n áp mộổ ệ t chi u (DC) cề ủa bình ắc quy (12V – 24V – 48V hoặc lên đ n 240V) thành điế ện áp xoay chiều (AC) có tần s phù h p vố ợ ới lưới

điện Việt Nam đang sử ụ d ng là 220V, 50Hz B ộ kích điện được thi t k v i nhiềế ế ớ u lo i ạcông suấ ừt t 300VA – 10kVA tu yêu c u sỳ ầ ử ụ d ng

B ộ kích điện có hai dạng: sóng điện hình sin mô ph ng và hình sin thỏ ực Loạ ầi đ u có

ưu điểm là giá r , nh gẻ ỏ ọn, thường dùng cho máy vi tính, đèn compact, tivi, đầu máy… Loại sau s d ng tố ớử ụ t v i các thi t bị điện dân dụng, nhưng có giá cao hơn ế

• T ủ điều khiển:

T ủ điều khiển phân phối chính (Main Distribution Panel – MDP): Nhận điện từ các nguồn, thông qua các đồng hồ đo điện đa năng t i thanh cái, và đi đớ ến tủ ề đi u khiển phân phố ải t i

T ủ điều khiển phân phối tả (Load Distribution Panel LDP): Nhậi – n điện từ ủ điều t khiển phân phối chính đểphân phối cho các t i Có 1 t ATS bên trong ả ủ

T ủ ATS: là một thiết bị chuyển đổi nguồn tự động, khi đi n lưệ ới mất nó sẽ truyền tín hiệu đ máy phát điể ện tự động khở ội đ ng và đóng điện cho phụ ả t i Khi nguồn lư i phục ớ

hồi thì hệ thống tự chuyển nguồn trở ại và tự động tắt máy phát l

Là thi t bế ị chuy n mạể ch tự độ ng dùng ở những nơi cần cung cấp điện một cách liên

tục cho tải, từ hai nguồn khác nhau.ATS là hệ thống chuyển đổi phụ ả t i từ ớ lư i điện chính (Main Utility) sang nguồn dự phòng dùng máy phát điện (Generator) khi mất điện trên

lư i.Khi lư i điớ ớ ện hoạt động n đ nh bình thư ng tr l i, hệ thốổ ị ờ ở ạ ng ATS s chuy n đ i ẽ ể ổphụ ả t i vận hành với lư i đi n chính và sau đó c t máy phát điớ ệ ắ ện dự phòng.Vi c chuyển ệ

đổi có th ho t đ ng theo ch t ng (Auto) ho c đi u khi n b ng tay (Handy - ể ạ ộ ế độ ự độ ặ ề ể ằManual)

Khi có sự ố ả c x y ra (m t pha, th p áp, quá áp, mấ ấ ất nguồn) trên nguồn đi n lưệ ới chính, ATS có nhiệm vụ :

+ Ngưng cung cấp nguồn lưới chính vào phụ ả t i

+ Khở ội đ ng đ ng cơ sơ cộ ấp (máy nổ diesel)

+ Đóng nguồn điện cung cấ ừp t máy phát vào ph t i ụ ả

Khi nguồn đi n lưệ ới có l i trong tình tr ng ạ ạ ổn định, nhi m v cệ ụ ủa ATS lúc đó là: + Ngắt nguồn cung cấp từ máy phát khỏi ph t i ụ ả

+ Đóng lại nguồn đi n lướệ i vào t i ả

+ T ạo tín hiệu dừng đ ng cơ sơ cấộ p (đ ng cơ diesel) cộ ủa máy phát; sau m t th i ộ ờgian t máy phát vổ ận hành tạ ạng thái không tải i tr

1.2.2 K ế t luậ n

Việc sử ụ d ng hệ thống quang điện (PhotoVoltaic - PV) - một nguồn an toàn và

sạch sẽ ủ c a năng lượng từ ặt trời đang được tăng lên nhanh chóng Chính vì vậ m y, kh o ảsát chất lư ng đi n năng cợ ệ ủa hệ thống PV nối lưới là một vấ ền đ quan trọng Điều kiệ ển đ

h ệthống NLMT nối lưới: th a mãn các đi u ki n v : th t pha, t n s , đi n áp ỏ ề ệ ề ứ ự ầ ố ệ

Ứng d ng c a h th ng PV trong vi c cung c p điệụ ủ ệ ố ệ ấ n có th đư c chia thành hai ể ợ

mô hình chính: mô hình hoạt đông độ ậc l p với lư i điớ ện và mô hình kết nối với lư điệới n

H ệ thống PV độ ậc l p có th đư c s d ng đ cung c p đi n cho các phể ợ ử ụ ể ấ ệ ụ ả t i tại các khu

vực xa xôi (vùng núi, hả ải đ o), trong khi các h ệthống PV nối lư i đướ ợ ử ục s d ng để cung

cấp năng lượng cho tả ịi đ a phương và cho sức mạnh trao đổi với lưới điệ n

Các ưu điểm khi hệ thống PV hòa lư i điớ ện:

• Cải thiện điện áp, giảm t n th t năng lư ng trong luớổ ấ ợ i phân ph i ố

• Giảm chi phí b o trì ả

• Ðáp ứng t i c a máy bi n áp trong gi cao đi m ả ủ ế ờ ể

Tuy nhiên, bên cạnh đó nó vẫn còn gây những ảnh hưởng có hại cho hệ thống như:

• An toàn: Một trong nh ng v n đ chính do vi c tách đ o ko mong mu n ữ ấ ề ệ ả ố

xảy ra khi sự ố Hệ thống PV vẫn tiếp tục cung cấp cho tải kể ả khi đã mất kết nối với c c

lưới, gây giật điện cho công nhân

• Quá áp: Hệ ố th ng PV đư c thi t k vân hành g n h s công su t đ s ợ ế ế để ầ ệ ố ấ ể ử

dụng năng lượng mặt trời Khi đó, hệ thống PV chỉ đưa công suất phản kháng vào lưới, làm thay đổi dòng công suất, có th ng điểtă ện áp với các nút gần đó

• Dao động công su t ra: Dao đ ng công su t do cư ng đ m t tr i (ph ấ ộ ấ ờ ộ ặ ờ ụthuộc chuyển đ ng các đám mây, có thểộ kéo dài hàng phút t i hàng giớ ờ), phu thu c vào ộ

tốc độ gió, kiểu và dạng của đám mây Dao động công suất có thể khiến công suất bằng, cao hay thấp hơn tải

• Sóng hài: Bóp méo sóng hài là vấ ền đ quan tr ng, gây ra do các b bi n đ i ọ ộ ế ổ

t ừdòng một chiều thành xoay chiều; có th gây ra cể ộng hưởng, quá nhiệ ộ ở ụ ự ữt đ t d tr

và máy biến áp, hoặc hư hỏng trong vận hành các thi t bế ị ả b o v gây giệ ảm độ tin cậy của

h ệthống

• Dao động t n s : Không cân b ng công suát giầ ố ằ ữa nguồn và tải Nếu mức độtham gia sâu vào lưới của hệ thống PV, có thể gây thay đ i tố ộổ c đ quay của các động cơ trong động cơ điện và phá hủy máy phát

Chính vì vậy, việc phân tích các nh hư ng đ n lư i khi k t n i h th ng năng ả ở ế ớ ế ố ệ ốlượng m t trời là rấ ầặ t c n thi t Trong ph m vi nghiên cứ ủế ạ u c a lu n văn, tác gi t p trung ậ ả ậvào việc đánh giá nh hưởả ng c a sóng hài vào lư i đi n khi k t n i PV ủ ớ ệ ế ố

1.3 Sóng hài trong hệ ống điện th

1.3.1 Tổ quan v sóng hài ng ề

Các sóng điều hoà là sự ổ t ng h p cợ ủa các sóng sin mà tần số ủ c a nó là b i sộ ố ủ c a

tần số cơ ản Nếu bội số là số nguyên thì gọi là hài (harmonic), bội số khác số nguyên bgọi là hiện tượng âm hài (interharmonic) Hay nói cách khác một sóng điều hòa bất kỳ là

tổng của sóng thành phần cơ bản và các thành phần điều hòa bậc cao hơn

Thành phần thứ ự t không: các sóng đi u hòa bậề c 3, 6, 9…

Đố ới v i đi u ki n không cân b ng trong các pha ch ng h n như đi n áp h th ng ề ệ ằ ẳ ạ ệ ệ ốkhông cân bằng, tải các pha không đối xứng, mỗi sóng điều hòa có thể ả x y ra một trong

ba thành phần th t nói trên ứ ự

Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng tr c ti p tớự ế i ch t lưấ ợng lưới điện và phải chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao cao hơn m c đứ ộ cho phép Sóng đi u hòa dòng ềđiện bậc cao là dòng điện có tầ ố ằn s b ng b i s nguyên l n tần sốộ ố ầ cơ b n Ví d dòng ả ụ250(Hz) trên lư i 50(Hz) là dòng điớ ều hòa b c 5, dòng 250(Hz) là dòng không sử ụậ d ng được v i các thi t b trên l i Vì v y nó sẽớ ế ị ướ ậ chuy n sang d ng nhi t năng và gây t n hao ể ạ ệ ổ

S dử ụng chuỗi Fourier với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T (Hz) hay ω=2πf (rad/s)

có thể ể bi u diễn một sóng điều hòa với bi u th c như sau: ể ứ

Fsin(n t +  Ψ) : thành phần sóng điều hòa bậc n

Ψn: góc pha của sóng điều hòa bậc n

Ta có thể ế vi t như sau:

Fsin(n t +  Ψ) = F(sinn cosΨt.  + cosn sinΨt )

Ta quy ước như sau:

THD =X

X

Trong đó:

X1: là thành phần cơ bản

Xn: là biên độ thành ph n đi u hòa b c n.ầ ề ậ

Từ công thức trên ta có thể đánh giá độ méo dòng điện và điện áp qua hệ số méo dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp:

• Hệ số méo dạng dòng điện:

THD =I

I

Trong đó:

I1: là biên độ dòng điện cơ bản

In: là biên độ dòng đi n điềệ u hòa b c n.ậ

• Hệ số méo dạng điện áp:

THD =U

U

Trong đó:

U1: là biên độ ệ đi n áp cơ bản

Un: là biên độ ệ đi n áp điều hòa b c n ậ

1.3.2 Nguyên nhân sinh ra sóng hài

Các nguồn sinh sóng điều hòa trong công nghiệp được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến Các phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép của MBA, động cơ (đặc tính bão hòa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử, nguồn hàn, các hệ truyền động điện, lò hồ quang điện, lò nấu thép cảm ứng, lò tôi cao tần… Dưới đây là một số nguồn tạo sóng điều hòa phổ biến trong công nghiệp:

• Máy biến áp:

Hình 1.9: Hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến áp

Hiện tượng bão hòa mạch từ của MBA lực có thể sinh ra sóng điều hòa bậc cao

Ðể duy trì điện áp sin, từ thông sin phải được tạo ra từ dòng từ magnetizing current Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng không tuyến tính trong đường cong B-

H sẽ dẫn đến dòng điện từ bị méo và có chứa các sóng điều hòa bậc cao Các MBA cũng sinh ra sóng điều hòa khi vận hành ở điện áp cao hơn điện áp định mức

• Động cơ:

Tương tự MBA, động cơ xoay chiều khi hoạt động sinh ra sóng điều hòa dòng điện bậc cao Các sóng điều hòa bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và stato Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng điều hòa bậc cao bởi vì dạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chính, các đường rò và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng

• Thiết bị điện tử công suất:

Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor, MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến là nguồn gốc gây sóng điều hòa bậc cao

Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng điều hòa sinh ra khác nhau Các mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản, rẻ, chắc chắn nhưng thành phần đầu vào chứa nhiều sóng điều hòa Do đó để giảm bớt sóng điều hòa có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lại với nhau tạo thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24

xung sẽ cho ra dòng điện trơn hơn, giảm được các thành phần điều hòa Từ đó có thể thấy

là khi muốn giảm sóng điều hòa dòng điện ta có thể tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên Tuy nhiên khi đó gây ra một số bất lợi như cồng kềnh, nặng, điều khiển phức tạp, tổn thất công suất và sinh ra sóng điều hòa dòng điện bậc cao khi tải không đối xứng hoặc điện áp không đối xứng

Nguyên nhân sinh ra sóng hài chính trong hệ thống điện là các bộ biến đổi công suất tĩnh được sử dụng như là các bộ chỉnh lưu cho rất nhiều chu trình công nghiệp; các

bộ biến đổi này này được sử dụng một cách rộng rãi trong thực tế Ngoài ra, các thiết bị điện tử công suất đang được sử dụng ngày càng nhiều như là một thiết bị đóng ngắt để điểu chỉnh điện áp cho tải Ví dụ như là khởi động mềm của động cơ, SVC,…

Khi các tải phi tuyến chiếm tỷ lệ ngày càng cao trong tổng tải của lưới công nghiệp hay hệ thống điện, việc nghiên cứu ngày càng quan trọng trong quá trình thiết kế

và vận hành hệ thống

Bất kì tải hay thiết bị nào không sinh ra một dòng điện dạng sin khi được kích từ bởi một điện áp sin cùng tần số được xem như là tải phi tuyến Tải phi tuyến được coi như là nguồn dòng sinh ra sóng hài, với tần số sóng hài thường là bội số của tần số hệ thống Dòng điện không sin có thể là do đặc tính vốn có của tải , hoặc do mạch đóng cắt (ví dụ bộ biến đổi 6 xung buộc biến đổi dòng điện ở những khoảng thời gian nhất định) Trong lưới điện công nghiệp và lưới phân phối, có rất nhiều nguồn sóng hài phân bố vào trong hệ thống

1.3.3 Ảnh hưởng của sóng hài

Sóng hài trong hệ thống điện ảnh hưởng đến tổn thất và sự vận hành của hệ thống Nếu sóng hài không được kiểm soát ở mức độ nhất định, các thiết bị điện, điện tử có thể

bị phá hủy và gây ra chi phí cho hệ thống

Ảnh hưởng của sóng hài lên cả điện áp và dòng điện, mặc dù ảnh hưởng của dòng điện không sin có thể thấy trong khi vận hành thiết bị điện Ảnh hưởng lên điện áp thường là làm suy giảm cách điện, do đó là giảm tuổi đời của thiết bị Một số tác động do sóng hài sinh ra:

• Tăng tổn th t trong các thi t b , cáp, đư ng dây, vv… ấ ế ị ờ

• Giảm tu i th c a các thi t b do làm cách đi n kém đi ổ ọ ủ ế ị ệ

• Làm tăng tiếng n ho c đ rung v i các máy đi n ồ ặ ộ ớ ệ

• Khiến các thi t b nh y c m v i d ng sóng hoạ ộế ị ạ ả ớ ạ t đ ng sai lệch

• Làm tăng dòng điện và điện áp quá l n do cớ ộng hưởng

1.3.4 Sóng hài do kế ố t n i nguồn điệ n phân tán sinh ra trong lư i đi ớ ệ n

Việc kết nối các nguồn điện phân tán vào lưới có cả mặt tích cực và tiêu cực khi xét ảnh hưởng, điều này phụ thuộc vào đặc tính vận hành của lưới phân phối và đặc tính của nguồn điện phân tán Ảnh hưởng của nguồn điện phân tán phụ thuộc vào dạng nguồn, cách kết nối với lưới, cỡ của nguồn cũng như tổng công suất so với hệ thống

Một vấn đề về chất lượng điện năng được quan tâm là sự bóp méo sóng hài sẽ ảnh hưởng đến hệ thống Sóng hài bị bóp méo là do các thiết bị phi tuyến như bộ biến đổi công suất, máy biến áp, máy điện quay Khi nối nguồn phân tán vào lưới gây ra bóp méo sóng hài phụ thuộc vào dạng của nguồn kết nối vào và công nghệ của bộ biến đổi Phụ thuộc vào cách kết nối vào lưới phân phối, có hai dạng nguồn phân tán: dạng có dùng bộ biến đổi và dạng không dùng bộ biến đổi Dạng dùng bộ biến đổi như là hệ thống năng lượng mặt trời, máy phát tuabin gió… dùng các bộ biến đổi năng lượng để làm thiết bị để kết nối với lưới

Một yếu tố khác cũng ảnh hưởng là đến bóp méo sóng hài trong hệ thống là số lượng nguồn phân tán kết nối vào lưới Việc công suất nguồn phân tán càng có nhiều trong lưới có thể dẫn tới mở rộng sự bóp méo sóng hài trong lưới Thêm vào đó, nguồn phân tán nếu kết nối vào mạch có điện áp cao sẽ sinh ra sự bóp méo sóng hài thấp hơn nếu so với khi nối vào lưới có điện áp thấp hơn

Sự tồn tại sóng điều hòa bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau:

• Làm tăng phát nóng của dây d n đi n, thi t b đi n.ẫ ệ ế ị ệ

• Gây ảnh hư ng đ n đở ế ộ ề b n cách đi n c a v t li u, làm gi m kh năng mang tả ủệ ủ ậ ệ ả ả i c a dây dẫn điện

• Với MBA: Các sóng điều hòa bậc cao gây ra tổn thấ ồt đ ng, tổn thất từ thông tản

và tổn thấ ắt s t làm tăng nhi t đệ ộ MBA do đó làm tăng tổn thất đi n năng.ệ

• Động cơ điện: T n hao trên cu n dây và lõi thép đ ng cơ tăng, làm méo d ng ổ ộ ộ ạmomen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, các sóng điều hòa bậc cao còn có thểsinh ra momen xo n trắ ục đ ng cơ ho c gây ra dao độ ặ ộng cộng hư ng cơ khí làm ở

hỏng các bộ phận cơ khí trong đ ng cơ.ộ

• Gây ảnh hư ng đở ến ho t đ ng c a các thi t b b o v (tác đ ng sai): các sóng đi u ạ ộ ủ ế ị ả ệ ộ ềhòa bậc cao có th làm momen tác đ ng củể ộ a rơle biến d ng gây ra hiạ ện tượng nháy, tác động ngược, có th làm méo d ng đi n áp, dòng đi n dể ạ ệ ệ ẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây c nh báo nh m c a các UPS.ả ầ ủ

• Với các thiết bị đo: ảnh hư ng đở ến sai số ủa các thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị csai lệch

• Với tụ điện: làm cho tụ ị quá nhiệt và trong nhiề b u trường h p có thể ẫợ d n tới phá hủy chất điện môi

• Các sóng điều hòa b c cao còn làm các thiết bị ử ụậ s d ng đi n và đèn chi u sáng bị ệ ếchập chờn ảnh hư ng đ n con người.ở ế

• Gây ảnh hưởng t i các thi t b vi n thông: các sóng đi u hòa b c cao có th gây ớ ế ị ễ ề ậ ểsóng điện từ lan truy n trong không gian làm nh hư ng đ n thi t b thu phát sóng.ề ả ở ế ế ị

1.3.5 M ộ t số tiêu chuẩn giớ ạ i h n thành phầ n sóng hài trên lư ớ i

Với những tác hại đã được đề cập ở phần trên, việc quy định một tiêu chuẩn thống nhất về các thành phần sóng hài bậc cao trên lưới cần được đưa ra để hạn chế ảnh hưởng của chúng tới các thiết bị tiêu dùng điện khác và đảm bảo chất lượng điện năng cho lưới điện

Ở nước ta hiện chưa có tiêu chuẩn nào về việc hạn chế thành phần sóng hài trên lưới Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ về công nghiệp ở nước ta hiện nay, việc xây dựng và áp dụng các tiêu chuẩn giới hạn sóng hài trên lưới điện là vấn đề tất yếu trong thời gian tới đây

Trên thế giới đã xây dựng và áp dụng một số tiêu chuẩn như tiêu chuẩn IEEE std 519[18], IEC 1000-4-3 để giới hạn các thành phần sóng hài trên lưới điện

Sau đây sẽ giới thiệu một số tiêu chuẩn trên thế giới về giới hạn các thành phần sóng hài trên lưới điện mà Việt Nam được phép áp dụng

• Tiêu chuẩn IEEE std 519

Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu điện áp trên lưới điện (IEEE std 519, Recommend Practices for Ultilities) Tiêu chuẩn được trình bày ở bảng sau [18]:

Bảng 1.3: Giới hạn nhiễu điện áp theo tiêu chu n IEEE std 519 ẩ

Điện áp t i đi m nối ạ ể

điện cho hệ thống phân phối chung quy định cho cấp điện áp từ 120V tới 69KV Tiêu chuẩn được trình bày trong bảng sau [18]:

Bảng 1.4: Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519

Nhiễu dòng điện tối đa (% của Itải) (Maximum Harmonic Current Distortion)

• Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4

Bảng sau trình bày tiêu chuẩn IEC 1000-3-4, quy phạm tiêu chuẩn có tính bắt buộc cho thiết bị trên 75A dòng đầu vào mỗi pha:

Bảng 1.5: Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4

Bậc sóng điều hòa

(n)

Dòng điều hòa có

th chể ấp nhận được In/Il(%)

Bậc sóng điều hòa

(n)

Dòng điều hòa có

th chể ấp nhận đượcIn/Il (%)

hết các thiết bị trong hệ thống làm việc ở dòng điện và đi n áp cao và đắệ t ti n) Do v y, ề ậ

mô ph ng hỏ ệ ố th ng đi n là bài toán vô cùng quan tr ng trong việ ọ ệc phân tích ổn đ nh, đị ộtin cậy và quy hoạch hệ thống điện.Khi nghiên c u các v n đ liên quan đ n k t n i PV ứ ấ ề ế ế ốvào lư i điớ ện, các nhà khoa học cũng thường thực hi n theo t ng bưệ ừ ớc như sau:

• Xây dựng các mô hình toán h c đ mô hình hóa các ph n tửọ ể ầ trong h th ng đi n ệ ố ệ

có kết nối PV (Nguồn điện, máy biến áp, đường dây, phụ ả t i điện, PV, các bộ ế bi n

đổi điệ ửn t công su t) ấ

• Mô phỏng h th ng: Thông qua các k t qu mô ph ng theo t ng k ch b n, k t h p ệ ố ế ả ỏ ừ ị ả ế ợ

với nghiên ứu lý thuyế ẽc t s cho phép phân tích và đánh giá hi u ch nh h th ng ệ ỉ ệ ố

• Xây dựng mô hình th c đ ti n hành thí nghi m, đo đạự ể ế ệ c d a trên k t qu mô ự ế ả

ph ng ỏ

Đề tài nghiên c u c a lu n văn t p trung vào việứ ủ ậ ậ c đánh giá nh hưởng sóng hài khi ả

kết nối PV vào lư i điớ ện Đối với hướng nghiên cứu này, ộ nhóm khoa học Malaysiam t [16], [17] và một nhóm ngư i Đờ ức [15]cũng đã thực hiện nhiều mô phỏng đánh giá ảnh hưởng c a các ngu n phân tán khác nhau (PV, điện gió, thủủ ồ y điện nhỏ ế) đ n lư i điớ ện Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa đề xu t m t giấ ộ ải pháp để ọ l c b sóng hài ỏ

Đề tài c a lu n văn: “Nghiên c u mô hình PV kết nốủ ậ ứ i lư i điớ ện phân phối Đánh giá tác động sóng hài củ ệ ốa h th ng PV đ n lư i điệế ớ n” đư c chia làm hai bượ ớc:

• Tìm hiểu mô hình h th ng PV k t n i lư i đi n phân ph i Nghiên c u các mô ệ ố ế ố ớ ệ ố ứhình toán học, mô hình hóa các phần tử ủ c a hệ thống nghiên c u trong ph n mứ ầ ềm Matlab/Simulink Các nghiên cứu này sẽ được gi i thiớ ệu trong chương 2

• Đánh giá tác động sóng hài c a h th ng PV đếủ ệ ố n lư i đi n: Đánh giá khi kớ ệ ế ốt n i

PV vào lư i điớ ện đơn giản; khi k t nế ối PV vào lư i điớ ện 13 nút của IEEE; đánh giá khi kết nối PV vào các cấp điện áp khác nhau; Đề xu t lắ ặấ p đ t bộ ọ l c sóng hài và đánh giá hiệu qu c a nó Các nghiên c u này đư c trình bày trong n i dung c a ả ủ ứ ợ ộ ủchương 3

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH MÔ PHỎ NG H TH NG PV N I LƯ I B NG Ệ Ố Ố Ớ Ằ

MATLAB/SIMULINK

2.1 M u ở đầ

Phần mềm Matlab/Simulink là m t công cộ ụ ữ h u hiệ ểu đ mô phỏng, phân tích đánh giá ảnh hưởng giữ ệ ốa h th ng PV và lư i đi n mà nó k t nối vàoớ ệ ế [6].

Trong chương này, tác giả nghiên c u, giứ ới thi u các mô hình toán hệ ọc mô phỏng

h ệ thống PV biến đổi tín hiệu quang đi n (cư ng đệ ờ ộ ánh sáng mặt trời, nhiệ ột đ ) thành dòng điện xoay chiều Ngoài ra các mô hình thông d ng trong h th ng đi n cũng được ụ ệ ố ệ

giới thi u đ ụ ụệ ểph c v cho vi c mô ph ng hệ ỏ ệ ố th ng PV kết nối lưới IEEE 13 nút [7]

2.2 Mô hình hệ ố th ng PV k t nố ế i lư ớ i

Hình 2.1: Sơ đồ kh i h thố ố ệ ng năng lư ng m t tr i k t n i n i lư i ợ ặ ờ ế ố ố ớ

Hình 2.1 giới thi u mô hình chi ti t h th ng PV k t n i v i lư i ệ ế ệ ố ế ố ớ ớ

H ệthống PV bao gồm các khối sau:

• Mô hình pin quang điện PV: Vớ ầi đ u vào là cư ng đờ ộ bức xạ ặt trời và nhiệt m

độ ầ; đ u ra điện áp m t chi u (DC) Công su t đ t c c đ i khi cư ng đ b c x m t ộ ề ấ ạ ự ạ ờ ộ ứ ạ ặtrời là 1000W/m2 và nhiệt độ là 25oC

• B ộ biế n đ ổ i DC/DC (Boost Converter): b ộ biế ổn đ i DC/DC kết hợp với bộ điều khiển theo thuật toán bám điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) tạo ra công su t mấ ột chiề ốu t i đa theo đặc tính V-I của PV Bộ

biến đổi DC/DC 5kHz tăng điện áp từ điện áp tự nhiên của PV (273V một chiề ở u công suấ ựt c c đ i) đạ ến 500V

• B ộ biế n đ i đi ổ ệ n áp DC/AC (DC/AC Inverter): chuyển đ i điổ ện áp một chiều thành điện áp 3 pha xoay chiều Qua bộ DC/AC, đi n áp một chiềệ u 500V được biế ổn đ i thành điện áp xoay chiều 260V

• Máy biến áp tăng áp: mộ ệ ốt h th ng PV hoàn ch nh c n có thêm m t máy biên áp ỉ ầ ộtăng áp, bi n đế ổi đi n áp đệ ến giá tr ệị đi n áp c a ph t i (trong h th ng PV ho t ủ ụ ả ệ ố ạ

động độ ậc l p) ho c đ n giá tr đi n áp c a lư i đi n k t n i (trong h th ng PV k t ặ ế ị ệ ủ ớ ệ ế ố ệ ố ế

nối lư i điớ ện)

Phần mềm Matlab/Simulink đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học c a hủ ệ

thống PV Tác giả xin đư c trình bày chi ti t, cợ ế ụ ể ự ểth s hi u biết c a mình vủ ề mô hình qua th i gian thờ ực hiện luận văn

2.3 Mô hình pin m t tr ặ ời

2.3.1 Giớ i thi u về pin mặt trời ệ

• Định nghĩa:

Pin mặt tr i hay còn g i là pin quang đi n là thi t b ng dụờ ọ ệ ế ị ứ ng hiệu ứng quang điện trong lớp bán d n (thư ng g i là hi n tư ng quang điện trong quang dẫ ờ ọ ệ ợ – ẫn) để ạ t o ra dòng điện một chi u khi đượề c chi u sáng ế

• C ấu tạo:

Hình 2.2 : C u t o và nguyên lý hoấ ạ ạ t đ ộng c a pin mủ ặt tr i ờ

Gồm ba thành phần chính như đã mô tả trên hình 2.2:

- Mặt ghép bán dẫn p – n: sử ụ d ng tinh thể Silic, đây là thành phần chính của pin;

lớp n thường mỏng đểánh sáng có thể chiếu tới lớp tiếp xúc p n.–

- Ðiệ ựn c c: là thành ph n d n đi n ra ph t i, v t li u làm đi n c c v a ph i có đ ầ ẫ ệ ụ ả ậ ệ ệ ự ừ ả ộdẫn tốt vừa phải bám dính tốt vào ch t bán dấ ẫn

- Lớp chống phản quang: nếu sự phản x ánh sáng càng nhiạ ều s làm cho hi u su t ẽ ệ ấ

của pin giảm Vì vậy phải phủ ột lớp chống phản quang m

• Phân loại: cho tới nay vật liệu chế ạ t o pin mặt tr i chờ ủ ế y u là Silic và đư c chia ợthành ba lo i chính:ạ

- Ðơn tinh thể: có hi u suấ ớệ t t i 16% và lo i này thư ng đ t tiạ ờ ắ ền do được c t t các ắ ừthỏi hình ống

- Ða tinh thể: làm t th i đúc t Silic nung ch y, sau đó làm ngu i và làm r n Lo i ừ ỏ ừ ả ộ ắ ạnày rẻ hơn pin đơn tinh th nhưng hi u suấ ạể ệ t l i th p hơn.ấ

- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh

thể Lo i này có hiạ ệu suất thấp nhất nhưng giá rẻ ấ nh t

• Đặ c tính làm vi c c a pin m t tr i ệ ủ ặ ờ

Sơ đồ tương đương c a pin m t tr i: ủ ặ ờ

Hình 2.3: Mạch tương đương của mộ ế t t bào pin mặt tr i ờ

Khi được chi u sáng thì pin m t tr i phát ra m t dòng quang đi n Iế ặ ờ ộ ệ ph vì vậy pin

mặt trời có thể xem như một ngu n dòng ồ

Lớp tiếp xúc p n có tính chất chỉ– nh lưu tương đương như một diode D Tuy nhiên khi phân cực ngư c, do điợ ện trở tiếp xúc có giới hạn nên vẫn có một dòng điện rò qua nó Ðặc trưng cho dòng diện rò qua lớp ti p xúc p – n là đi n tr shunt Rế ệ ở sh

Dòng quang điện ch y trong mạch phạ ải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điệncực, các tiếp xúc… Ðặc trưng cho t ng các điổ ện trở ủ c a các lớp đó là một diện tr Rở s mắc nối tiếp trong mạch Từ đó, xây d ng đư c sơ đ tương đương t ng quát củự ợ ồ ổ a pin m t tr inhư ặ ờhình 2.3, theo [8] : có

Dòng điện qua diode: I = I e   1

Phương trình Kirchoff dòng điện: I I 

   I = 0Phương trình Kirchoff điện áp: VPV = VD – Rs.IPV

Trong đó:

ID : Dòng qua diode, [A]

Is : Dòng bão hòa qua diode, [A]

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 c a m t t bào pin m t tr i: ủ ộ ế ặ ờ

I= I I  I = I Ie.   1 V + I R

R

Ð ểcó công suất cũng như điện áp, dòng diện theo yêu cầu thì ph i ghép các tả ế bào pin mặt trời lại thành một module pin mặt Giả ử s ghép nối ti p Ns các tế ế bào pin mặt trời