Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Phân tích họa tần của lưới điện khi có dự thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái

Điều này có thể nhận thấy được tầm quan trọng của việc phân tích họa tần, trong khi tổng méo dạng họa tần được nghiên cứu phần lớn nhằm cho thấy được mức độ quan trọng khi có sự thâm nhậ

Giới thiệu

Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh hiện nay, khi nhu cầu về nguồn năng lượng sạch và bền vững ngày càng gia tăng, các hệ thống điện mặt trời đang trở thành một phần không thể thiếu trong cơ cấu năng lượng toàn cầu Sự tích hợp ngày càng nhiều của các hệ thống năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng điện mặt trời, vào lưới điện đã mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới

Năng lượng điện mặt trời đã được sử dụng rất nhiều trên thế giới nhằm tạo ra nguồn năng lượng sạch và giúp giảm đi chi phí tiêu thụ điện đến từ nhiên liệu hóa thạch Tại Việt Nam, điện mặt trời được sử dụng rộng rãi từ giữa năm 2019 khi nhà nước khuyến khích sử dụng năng lượng điện mặt trời với chính sách giá mua hấp dẫn Tại thời điểm đó, nhiều nhà máy điện mặt trời với công suất lên đến vài Megawatt và những công trình điện mặt trời áp vài kW được xuất hiện ào ạt, hiện tại dù năng lượng điện mặt trời không còn phát triển mạnh như thời điểm đó, nhưng không khó để có thể phát hiện những trang trại điện mặt trời và tấm pin điện mặt trời lắp áp mái khắp các khu công nghiệp và hộ gia đình Hình 1.1 nêu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối lưới, bắt đầu từ việc pin mặt trời tạo ra dòng điện một chiều từ bức xạ mặt trời và nhiệt độ, dòng điện một chiều này được ổn định và thực hiện giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại nhằm đạt được hiệu suất phát điện cao nhất, sau đó dòng điện một chiều được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều thông qua biến tần với điện áp và tần số được tham vấn từ lưới điện và đi qua bộ lọc thụ động trước khi hòa lưới Tuy nhiên, vì cơ chế chuyển đổi năng lượng của hệ thống điện mặt trời cũng mang lại nhiều vấn đề về chất lượng điện năng trên lưới điện, tiêu biểu nhất là vấn đề họa tần được phát lên lưới điện

2 Họa tần là những dạng sóng điện áp và dòng điện không còn là hình sin chuẩn và có tần số là bội số của tần số cơ bản Khi tích hợp các hệ thống điện mặt trời, các bộ biến tần được sử dụng để chuyển đổi điện năng từ dòng một chiều (DC) sang dòng xoay chiều (AC) có thể là nguồn gốc chính gây ra họa tần Những họa tần này không chỉ làm giảm hiệu suất của hệ thống điện mà còn có thể gây hư hỏng cho các thiết bị điện, gây nhiễu điện từ và làm tăng tổn thất năng lượng

Tiêu chuẩn IEEE Std 519-2014 đưa ra các giới hạn rõ ràng về mức độ cho phép của họa tần trong hệ thống điện, nhằm đảm bảo rằng sự tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời không làm giảm chất lượng điện năng Tuy nhiên, việc tuân thủ các tiêu chuẩn này đòi hỏi phải có các phương pháp đo lường, phân tích và kiểm soát họa tần hiệu quả Vì vậy, việc phân tích họa tần và những tác động của họa tần khi sự thâm nhập của hệ thống điện mặt trời ngày càng tăng được thực hiện trong luận văn này nhằm xác định được những nguyên nhân thật sự gây ra ảnh hưởng họa tần lên lưới điện và hỗ trợ tìm phương án khắc phục hiệu quả.

1.1.2 Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước

Hệ thống điện mặt trời được ứng dụng rộng rãi trong cả thị trường trong nước và ngoài nước, trong đó hệ thống điện mặt trời được ứng dụng chủ yếu dưới hai hình thức là trang trại điện mặt trời – Solar farm [1 – 11] thường có công suất phát điện cao từ 1 – 20MW [2 – 11] và công suất phát rất cao tại những solar farm lớn lên đến 180MW [1], ngoài ra hệ thống điện mặt trời được lắp thông dụng hơn theo hình thức lắp đặt áp mái [11 – 25], thương được lắp đặt áp mái tại các khu công nghiệp, nhà máy, trường học lên đến 1.2MW và nhỏ nhất tại mái nhà các hộ dân cư thường chỉ vài

KW Có thể thấy được rằng đối với solar farm có công suất lớn thường được sử dụng với mục đích chính là kinh doanh điện năng, những nhà máy điện quy mô lớn này thường được giám sát điện, sự cố và hệ thống bảo vệ chặt chẽ, bên cạnh đó vì những hệ thống này thường được phát điện lên lưới truyền tải nên việc lọc họa tần cũng được ưu tiên phần lớn [1;2;6;10] nhằm giảm thiểu lượng họa tần phát lên lưới Tiêu biểu như, solar farm 20MW được trích từ 1 phần của Solar farm 80MW được xây dựng tại Sarnia, Ontario là trang trại điện mặt trời lớn nhất tại Canada, được phát điện lên lưới 115kV thông qua 2 trạm biến áp 50MVA, và tổng méo dạng họa tần vẫn được giữ dưới 2.3%, đạt theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 [4], dẫn chứng khác tại solar farm 5MW khi sử dụng bộ lọc LCL để lọc đi họa tần bậc 7, giảm họa tần bậc 7 từ 25,13% còn 7.9%, giúp cho tổng méo dạng họa tần điện áp từ 1% còn 0.3% và tổng méo dạng họa tần dòng điện từ 30% còn 3.9% [6] Thông qua 2 dẫn chứng trên có thể thấy được việc kiểm soát họa tần của các solar farm diễn ra tốt và không chế được mức họa tần mong muốn, điều này đến từ tiêu chuẩn khắc khe hơn tại mức điện áp cao và hệ thống điện mặt trời tập trung như solar farm dễ dàng thực hiện lọc hơn

Trong khi đó, hệ thống điện mặt trời áp mái được sử dụng phổ biến và rộng rãi, vì việc lắp đặt và kinh phí đầu tư dễ tiếp cận hơn nhiều so với trang trại điện mặt trời Tuy công suất lắp đặt của hệ thống điện mặt trời áp mái thấp nhưng số lượng lắp đặt

3 lại rất nhiều và công suất đa dạng, đồng thời đo quy mô lắp đặt tương đối nhỏ nên việc lọc họa tần phụ thuộc phần lớn vào bộ lọc LCL được thiết kế sẵn có trong mỗi biến tần Tuy nhiên theo nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời, inverter tham vấn điện áp và tần số của lưới điện từ đó điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra nhằm thực hiện hòa lưới, nên họa tần xuất hiện trên lưới ngày càng nhiều thì inverter lại tham vấn điện áp và tần số đã méo dạng, điều này làm cho lưới điện ngày càng méo dạng họa tần

Do vậy nhiều bài báo khoa học cũng tìm hiểu về hệ thống điện mặt trời áp mái có số liệu từ hệ thống điện mặt trời áp mái thực tế [11 – 25] những dự án này và từ đó cho ra nhiều phương pháp phân tích họa tần [13; 25] Bên cạnh đó khi xét đến những yếu tố ảnh hưởng đến họa tần phần lớn được xét về mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời làm gia tăng độ méo dạng họa tần điện áp trên lưới điều này dẫn đến tổng méo dạng họa tần điện áp gia tăng và vượt ngưỡng [12; 15; 16; 21; 23; 30; 51] Độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời được quyết định dựa vào công suất lắp đặt hệ thống điện mặt trời và công suất trạm biến áp phân phối cho các hệ thống điện mặt trời áp mái đó, nếu công suất điện mặt trời áp mái ngày càng tăng trong khi công suất trạm phân phối không thay đổi, độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời sẽ ngày càng tăng và điều này sẽ làm tổng méo dạng họa tần điện áp trên lưới điện tăng lên

Ngoài ra những ảnh hưởng từ thời tiết làm tăng lượng họa tần dòng điện phát lên lưới cũng được xem xét khi năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng thiếu sự ổn định và phải phụ thuộc nhiều vào thời tiết [14; 49; 50; 52; 54], do công suất điện ngõ ra của pin mặt trời phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ nên chỉ những thay đổi đến từ thời tiết ảnh hưởng đến bức xạ và nhiệt độ sẽ làm công suất ngõ ra tấm pin không ổn định, điều đó tạo điều kiện cho sự dao động xuất hiện trong inverter, làm họa tần dòng điện tại ngõ ra gia tăng

Có thể thấy khi hệ thống điện mặt trời áp mái được xem xét đến có hai hướng chủ yếu là công suất thâm nhập của hệ thống điện mặt trời ngày càng tăng trên lưới phân phối, điều này gây ảnh hưởng nhiều đến tổng độ méo dạng họa tần điện áp của lưới điện và điều kiện thời tiết làm ảnh hưởng đến công suất ngõ ra tấm pin mặt trời làm thay đổi họa tần dòng điện của lưới điện phân phối

Trong các bài viết được nghiên cứu cho luận văn, phần lớn những nghiên cứu đều tập trung vào tổng méo dạng họa tần dòng điện và điện áp, trong các thông số về họa tần, tổng méo dạng họa tần đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá họa tần của hệ thống điện Bên cạnh đó, họa tần từng bậc riêng lẻ đóng vai trò hỗ trợ xác định thành phần của tổng méo dạng họa tần, điều này giúp cho việc xác định được nguyên nhân méo dạng họa tần chính xác hơn và xác định được phương pháp xử lý méo dạng họa tần hiệu quả hơn [1; 2; 4; 6; 13; 15; 17; 20; 22; 23; 24; 32; 44; 52; 55] Trong đó phổ biến nhất trong hệ thống điện mặt trời áp mái khi hòa lưới vào lưới phân phối, họa tần bậc thấp thường đóng vai trò chủ yếu, điều này đến từ kết cấu của biến tần tồn tại

4 nhiều bậc họa tần 5; 7; 11; 13; 17 nên họa tần bậc thấp thường được quan tâm trong những bài nghiên cứu này, tùy thuộc vào từng hệ thống sẽ có mức họa tần từng bậc khác nhau, và để xác định được họa tần bậc thấp này, phương pháp xác định họa tần như FFT – Fast Fourier Transform được sử dụng chủ yếu [25] Và kết quả phân tích họa tần của hệ thống điện mặt trời sẽ giúp cho việc xác định phương pháp giảm thiểu họa tần hiệu quả hơn Điều này có thể nhận thấy được tầm quan trọng của việc phân tích họa tần, trong khi tổng méo dạng họa tần được nghiên cứu phần lớn nhằm cho thấy được mức độ quan trọng khi có sự thâm nhập cao của hệ thống điện mặt trời, nguyên nhân gây ra họa tần vì thông số này mang yếu tố xác định mức độ méo dạng họa tần tổng quát, còn họa tần bậc riêng lẻ đóng vai trò giúp xác định nguyên nhân thực sự của họa tần và hỗ trợ tìm được phương án tối ưu nhằm giảm thiểu họa tần của hệ thống điện mặt trời khi phát lên lưới, điều này có thể thấy qua phân lớn các bài nghiên cứu về hệ thống điện mặt trời khi xem xét đến họa tần từng bậc thường đề xuất phương án lọc thụ động [1; 2; 6; 10; 47; 51; 53]

Tuy nhiên để có thể đánh giá được họa tần, biến dạng sóng điện áp và dòng điện cần được xem xét dưới các tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến như IEEE 519 hoặc IEC 61000 Trong đó phần lớn các nghiên cứu đều được tham khảo dưới tiêu chuẩn IEEE 519, và chỉ có 2 bài nghiên cứu sử dụng theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-12 [30; 54] Theo tiêu chuẩn IEEE 519 có hướng dẫn cụ thể về việc đo lường và đánh giá, nên việc sử dụng theo tiêu chuẩn IEEE 519 được sử dụng dễ dàng và rộng rãi Trong đó, tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 được sử dụng phổ biến trong nhiều bài nghiên cứu trước đây, sau đó tiêu chuẩn IEEE 519 -2014 bắt đầu được sử dụng rộng rãi sau này [1; 16; 28; 37; 45], tiêu chuẩn này là phiên bản nâng cấp và đầy đủ hơn so với tiêu chuẩn IEEE 519 – 2014 vì được tích hợp thêm những thông tin từ IEC 61000-3-12 và tiêu chuẩn Việc đánh giá họa tần thường được đánh giá 3 thông số chủ yếu là tổng méo dạng họa tần dòng điện, điện áp và bậc họa tần riêng lẻ, những thông số này đều được quy định trên tiêu chuẩn IEEE 519, ngoài ra còn những quy định về thời gian đo lường và phương pháp đo nhằm giảm thiểu đi sai số và đánh giá được chính xác hơn

Bên cạnh việc phân tích họa tần, đề xuất phương án giải quyết được xem là phương án bám sát thực tiễn nhất nhằm giảm thiểu đi họa tần phát ra do hệ thống điện mặt trời Do sự đa dạng về hệ thống điện, công suất và hình thức sử dụng năng lượng mặt trời, nên phương án giảm thiểu họa tần được đề xuất cũng trở nên đa dạng, trong đó những phương án phổ biến nhất là sử dụng bộ lọc, đây cũng là phương án được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp [1; 2; 6; 10; 12; 14; 36; 47; 48; 49; 51; 53; 55; 56], việc sử dụng bộ lọc tác động trực tiếp và giảm họa tần lan truyền trên lưới và thông dụng nhất là những bộ lọc thụ động LCL Trong biến tần của hệ thống điện mặt trời luôn được trang bị bộ lọc họa tần LCL, tuy nhiên với sự thâm nhập ngày càng tăng của hệ thống điện mặt trời và họa tần lan truyền trên lưới vẫn đang rất cao, điều này cho

Đối tượng, nội dung và mục tiêu nghiên cứu luận văn

Với hướng nghiên cứu đề xuất như trên, đối tượng nghiên cứu của luận văn này là hệ thống điện mặt trời áp mái của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, đấu nối vào mạng lưới cấp điện áp 22kV của trạm Đức Hòa, Long An Đấu nối hệ thống điện mặt trời vào lưới 0.4kV của trạm biến áp 22/0.4kV 560kVA của nhà máy, điểm đấu nối được đấu chung vào lưới 22kV của trạm 110/22kV 63MW của khu công nghiệp Đức Hòa, đường dây có tần số 50Hz

Trong hệ thống điện khi có sự thâm nhập ngày càng cao của hệ thống điện mặt trời áp mái sẽ ảnh hưởng đến sự méo dạng họa tần điện áp và dòng điện ngày càng nhiều Bên cạnh đó, do nguyên lý tham vấn điện áp và tần số của biến tần khi thực hiện hòa lưới điều này làm cho việc lưới đã có sự méo dạng họa tần lại được tham vấn để trở thành tín hiệu ngõ ra của biến tần, từ đó họa tần liên tục được tăng lên theo sự

7 thâm nhập của hệ thống điện mặt trời Vì vậy, luận văn này xác định nội dung nghiên cứu chính bao gồm:

Méo dạng họa tần điện áp khi công suất thâm nhập của hệ thống điện mặt trời ngày càng tăng

Méo dạng họa tần dòng điện đến từ tấm pin năng lượng mặt trời đến từ sự thay đổi của bức xạ

Từ các nội dụng nghiên cứu của luận văn đề xuất cho đối tượng nghiên cứu là hệ thống điện mặt trời áp mái của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, luận văn mong muốn đạt được mục tiêu chính là phân tích tổng méo dạng họa tần và phổ họa tần khi có sự thâm nhập ngày càng cao của hệ thống điện mặt trời áp mái lên lưới phân phối để có thể xác định được mức độ và nguyên nhân sinh họa tần trong hệ thống điện ngày nay Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu, các mục tiêu cụ thể cho từng nội dung nghiên cứu của luận văn như sau:

• Nội dung nghiên cứu méo dạng họa tần điện áp khi công suất thâm nhập của hệ thống điện mặt trời ngày càng tăng, luận văn hướng đến mục tiêu phân tích tổng méo dạng họa tần điện áp và phổ họa tần theo tỷ lệ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái tại mỗi trạm biến áp phân phối, và đưa ra mức độ thâm nhập phù hợp để có thể đảm bảo được họa tần vẫn nằm dưới giới hạn theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 2014

• Nội dung nghiên cứu méo dạng họa tần dòng điện đến từ tấm pin năng lượng mặt trời đến từ sự thay đổi bức xạ, luận văn hướng đến mục tiêu phân tích họa tần dòng điện khi có sự thay đổi bức xạ mặt trời, từ đó xác định mức độ méo dạng họa tần dòng điện tại từng bức xạ với sự thâm nhập tăng dần của hệ thống điện mặt trời.

Phương pháp và phạm vi nghiên cứu luận văn

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành các mục tiêu cho từng nội dung nghiên cứu, đề tài sử dụng các phương pháp và trình tự nghiên cứu cho từng nội dung như sau: Để hoàn thành mục tiêu phân tích độ méo dạng họa tần dòng điện đến từ tấm pin năng lượng mặt trời khi có sự thay đổi bức xạ, luận văn sử dụng những phương pháp nghiên cứu khoa học với trình tự như sau:

• Bước đầu tiên, luận văn thực hiện phương pháp nghiên cứu phân tích, tổng hợp và hệ thống hóa lý thuyết về họa tần và hệ thống điện mặt trời, những ảnh hưởng về họa tần khi có sự thay đổi về bức xạ, phân tích những bài nghiên cứu và phân loại, tổng hợp những bài nghiên cứu hướng đến chủ đề ảnh hưởng bức xạ và họa tần

• Sau khi có đầy đủ cơ sở lý thuyết, luận văn thực hiện phương pháp nghiên cứu đo lường số liệu của hệ thống điện mặt trời áp mái của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, nhằm xác định được mức méo dạng họa tần dòng điện việc thực nghiệm và đo lường cần những thiết bị chuyên dụng để đo lường và phân tích họa tần điểm đấu nối của hệ thống điện mặt trời trước khi phát lên trạm biến áp 22/0.4kV phía hạ thế Việc đo lường được thực hiện liên tục trong 3 ngày nhằm theo dõi được tổng thể toàn thời gian họa tần của nhà máy sản xuất thiêt bị điện Thành Long

• Sau đó, để có thể thực nghiệm trên số liệu thực tế, luận văn thực hiện phương pháp phân tích số liệu từ việc đo lường thu thập được, bằng việc xem xét xu hướng của họa tần dòng điện trong cả ngày để xác định được những ảnh hưởng từ bức xạ trong ngày lên họa tần hệ thống điện Để hoàn thành mục tiêu phân tích tổng méo dạng họa tần điện áp và phổ họa tần theo theo tỷ lệ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái, luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học với trình tự như sau:

• Bước đầu tiên, luận văn sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp và hệ thống hóa lý thuyết về họa tần và hệ thống điện mặt trời, về phương pháp xác định độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời cho từng trạm biến áp phân phối, sau đó phân tích những bài nghiên cứu về họa tần và điện mặt trời sau đó tổng hợp và hệ thống hóa các tải liệu thành nhóm theo chủ để họa tần và công suất thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái

• Bước tiếp theo, sau khi có đầy đủ lý thuyết về đối tượng nghiên cứu cho họa tần và phần trăm thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái, luận văn thực hiện phương pháp thực nghiệm và phân tích số liệu để tiến hành khảo sát thực tế ở hệ thống điện mặt trời áp mái tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, nhằm xác thực và thu thập số liệu về hệ thống điện mặt trời áp mái, phổ họa tần của loại biến tần được sử dụng nhiều trong hệ thống điện mặt trời Cụ thể luận văn cần dùng thiết bị đo chuyên dụng để đo lường và phân tích phổ họa tần tại điểm đấu nối của hệ thống điện mặt trời áp mái trước khi đưa về trạm biến áp tại phía hạ thế

• Sau đó, để có thể thực nghiệm trên số liệu thực tế, luận văn thực hiện phương pháp khảo sát và thu thập số liệu tử hệ thống điện mặt trời áp mái thực tế tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, cùng những thông tin về loại và số lượng biết tần và pin mặt trời mà nhà máy sử dụng để hòa lưới

• Sau khi có được thông số thực tế từ nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, luận văn thực hiện phương pháp mô hình hóa mô phỏng trên phần mềm ETAP để hiểu rõ hơn về đối tượng và thực hiện phân tích hệ thống điện mặt trời áp mái theo nhiều trường hợp khác nhau Cụ thể luận văn sẽ mô hình hóa mạng lưới của hệ thống điện mặt trời áp mái tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long khi hòa lưới

• Sau khi có được mô hình thực tế về hệ thống điện mặt trời của nhà máy Thành Long trên phần mềm ETAP, luận văn thực hiện phương pháp phân tích số liệu cho từng trường hợp với các mức thâm nhập khác nhau, và sự tương tác họa tần giữa các cụm hệ thống điện mặt trời áp mái, nhằm phân tích được tổng độ méo dạng họa tần điện áp khi sự thâm nhập ngày càng cao của hệ thống điện mặt trời, đồng thời phân tích phổ họa tần để biết được nguyên nhân của bậc hài chiếm phần trăm cao để gây ra méo dạng họa tần

• Luận văn sử dụng phương pháp giả thuyết để nâng độ thâm nhập hệ thống điện mặt trời áp mái bằng việc nâng công suất tại trạm 22/0.4kV của nhà máy và nâng độ thâm nhập trên trạm 110/22kV bằng nhiều nhánh tương tự với nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long

• Để chứng minh giả thuyết, luận văn thực hiện phương pháp mô hình hóa mô phỏng lại hệ thống điện mặt trời theo từng mức độ thâm nhập và tìm mức độ thâm nhập phù hợp để họa tần đạt ngưỡng, thiết kế bộ lọc họa tần cho nhà máy Thành Long và xác định lại mức độ thâm nhập tối đa có thể lắp đặt hệ thống điện mặt trời

• Sau khi mô phỏng mô hình hóa, luận văn thực hiện phương pháp phân tích số liệu từ lần mô phỏng đó để đánh giá từng trường hợp của giả thuyết và tìm xem mức độ thâm nhập phù hợp cho hệ thống điện mặt trời áp mái tại nhà máy sản xuất thiết bị Thành Long

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Để hoàn thành các mục tiêu của luận văn, phạm vi nguyên cứu của luận văn sẽ được giới hạn do những hạn chế mang tính chủ quan và khách quan của luận văn và học viên thực hiện, phạm vi nghiên cứu luận văn cho từng nội dung cụ thể như sau:

• Hệ thống điện được nghiên cứu giới hạn trong lưới hạ thế với cấp điện áp 400V, tần số 50Hz

• Sơ đồ mô phỏng được xây dựng từ hệ thống điện mặt trời áp mái thực tế của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, được xây dựng và mô phỏng trên phần mềm ETAP, nên những kết quả phân tích phụ thuộc hoàn toàn vào kế ảu mô phỏng của phần mềm ETAP

• Hệ thống điện mặt trời áp mái được nghiên cứu có quy mô nhỏ được cấp ở lưới điện hạ thế, có biến tần là loại biến tần 6 xung và pin mặt trời được xây dựng theo dự án thực tế, không xét đến những biến tần có công suất lớn, bộ lọc họa tần được tính hợp sẵn trong module PV system trên phần mềm ETAP, không xét đến trường hợp bộ lọc họa tần

• Không xét đến các yếu tố như hướng nắng, nhiệt độ thực tế tại khu vực, chiều dài và điện trở đường dây

• Luận văn được tập trung vào độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời nên không xét đến trường hợp cộng hưởng

• Tiêu chuẩn đánh giá họa tần được sử dụng theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 2014

• Luận văn tập trung vào vấn đề phân tích họa tần nên không đưa ra phương án giảm thiểu họa tần cụ thể.

Đóng góp về mặt khoa học và thực tiễn

Sau quá trình nghiên cứu về luận văn “Phân tích họa tần của lưới điện khi có sự thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái” đã nghiên cứu thành công sự tương quan của họa tần với mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái tại lưới điện phân phối và xác định được những nguyên nhân ảnh hưởng đến méo dạng họa tần Điều này mang lại những đóng góp về mặt khoa học và thực tiễn như sau: Đóng góp về mặt khoa học:

• Nội dung nghiên cứu về sự thay đổi của tổng méo dạng họa tần điện áp và độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái giúp xác định được những nguyên nhân gây ra sự gia tăng về họa tần điện áp và mức độ thâm nhập phù hợp cần để giữ cho từng trạm phân phối đạt theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 2014 Đồng thời cũng cho thấy được rằng, khi xét riêng từng trạm biến áp phân phối với mức thâm nhập giúp cho họa tần dưới tiêu chuẩn, nhưng khi có sự tham gia của nhiều trạm biến áp khác nhau thì họa tần trên toàn lưới sẽ tăng và những trạm biến áp phân phối đạt chuẩn trước đó sẽ vượt ngưỡng Tuy nhiên với việc phân tích phổ họa tần cho thấy được những bậc họa tần cần thiết để loại bỏ nhằm tạo tiền đề cho việc thiết kế bộ lọc để giảm thiểu đi họa tần hiệu quả

• Nội dung nghiên cứu về sự méo dạng họa tần dòng điện khi có sự thay đổi bức xạ mặt trời giúp xác định được từng mức bức xạ mặt trời sẽ ảnh hưởng đến họa tần dòng điện như thế nào, và khi có sự thâm nhập cao của hệ thống điện mặt trời theo từng mức bức xạ thì tổng méo dạng họa tần dòng điện sẽ có những thay đổi, để có thể xác định được những khung giở cụ thể trong ngày và những điều kiện thời tiết nào sẽ làm tăng độ méo dạng họa tần dòng điện Đóng góp về mặt thực tiễn:

• Luận văn cho thấy được tình hình thực tiễn về sự méo dạng họa tần tại nhiều nhà máy và lưới điện phân phối tại Việt Nam, bên cạnh đó đưa ra mức độ thâm nhập phù hợp để hệ thống điện mặt trời không vượt ngưỡng họa tần theo tiêu chuẩn tại Việt Nam

• Tìm được phương pháp giảm thiểu họa tần phù hợp đồng thời đề xuất phương pháp xác định độ thâm nhập tối đa, nhằm xác định được công suất điện mặt trời tối đa có thể lắp đặt mà vẫn giữ họa tần đạt ngưỡng

• Tùy theo thời điểm trong ngày mà bức xạ mặt trời sẽ thay đổi và giúp cho nhà máy doanh nghiệp có thể sắp xếp khung giờ làm việc phù hợp để tránh đi họa tần dòng điện cao ảnh hưởng đến lưới điện nội bộ

Bố cục luận văn

Luận văn được trình bày với bố cục 6 chương như sau:

Chương 1 Giới thiệu: trình bày về lý do chọn đề tài, đối tượng, nội dung, mục tiêu, phương pháp và các giới hạn nghiên cứu luận văn

Chương 2 Tổng quan về họa tần: trình bày về cơ sở lý thuyết, những thông số quan trọng, nguồn phát và những ảnh hưởng của họa tần, đo lường và tiêu chuẩn đánh giá họa tần

Chương 3 Tổng quan về hệ thống điện mặt trời: trình bày về module pin mặt trời, biến tần

Chương 4 Khảo sát thực tế: trình bày về việc đo lường và phân tích hệ thống điện mặt trời tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long

Chương 5 Tiến hành mô phỏng thử nghiệm: trình bày về việc lựa chọn thông số cho pin mặt trời, biến tầ006E, sự phân bổ của pin mặt trời, xây dựng sơ đồ mô phỏng

Chương 6: Tổng kết và đề xuất hướng phát triển của luận văn: trình bày những kết quả đạt được của luận văn và hướng phát triển cho nghiên cứu tiếp theo

tổng quan về Họa tần

Cơ sở lý thuyết họa tần

Một thành phần họa tần trong hệ thống điện được định nghĩa là thành phần sin của một dạng sóng tuần hoàn có tần số bằng bội số nguyên của tần số cơ bản của hệ thống

[57] Họa tần trong dạng sóng điện áp hoặc sóng dòng điện có thể được hiểu là các thành phần hình sin hoàn hảo của các tần số là bội số của tần số cơ bản:

Trong đó h là bậc của họa tần

Thông thường tần số cơ bản là 50Hz hoặc 60Hz, theo tần số điện Việt Nam sử dụng là 50Hz

Hình thể hiện dạng sóng 60Hz lý tưởng với giá trị đỉnh khoảng 100A, có thể được xem là một đơn vị Tương tự, nó cũng mô tả các dạng sóng có biên độ (1/7), (1/5), và (1/3) đơn vị và tần số gấp 7, 5, và 3 lần tần số cơ bản, tương ứng Các thành phần họa tần có biên độ giảm dần thường tuân theo một quy luật nghịch với thứ tự họa tần, điều này là điển hình trong các hệ thống điện lực

Hình 2.1 Dạng sóng bị méo dạng bởi họa tần bậc 3, 5 và 7

Tại Im h là giá trị RMS đỉnh của dòng họa tần bậc h

Hình 2.1 thể hiện các giá trị họa tần điện áp theo bậc 1 với tần số cơ bản, bậc 3 (150Hz), bậc 5(250Hz), bậc 7 (350Hz) và tổng méo dạng họa tần dòng điện Nếu chúng ta chỉ xem xét ba thành phần họa tần đầu tiên, hình vẽ cho thấy cách một dạng sóng dòng điện méo dạng tại đầu ra của six-pulse converter Những họa tần khác sẽ gây ra những dạng biến dạng khác

I total = Im sin  t + Im sin(3   t − + ) Im sin(5   t − + ) Im sin(7   t − ) ( 2.3)

Những thông số quan trọng trong họa tần

Tần số điện được sử dụng tại Việt Nam là 50Hz, trong đó bậc của họa tần là thành phần có tần số là bội số của tần số cơ bản, có thể hiểu họa tần bậc 3 mang tần số 150Hz (với tần số cơ bản là 50Hz) Nên bậc của họa tần có thể được biểu diễn như công thức sau:

1 f n n= f , trong đó n là bậc của họa tần

Khi tần số có sự tham gia của họa tần và khi được phân tích phổ họa tần, ta có thể thu được phổ biên độ của họa tần, bao gồm biên độ của tần số cơ bản và các thành phần của họa tần, phổ biên độ này giúp cho việc phân tích họa tần chính xác hơn và xác định được nguyên nhân gây ra họa tần thật sự trong hệ thống điện

2.2.2 Tổng méo dạng họa tần

Tổng méo dạng họa tần THD là chỉ số quan trọng được sử dụng rộng rãi để mô tả các vấn đề về chất lượng điện năng trong các hệ thống truyền tải và phân phối điện Thông số này là tỉ lệ giữa các giá trị rms của tính hiệu bao gồm họa tần và tính hiệu chỉ tính đến tần số cơ bản xác định tổng biến dạng họa tần

Sự biến dạng họa tần có ý nghĩa nhất khi được giám sát tại điểm kết nối chung (PCC) — thường là điểm đo của khách hàng — trong một khoảng thời gian có thể phản ánh nhu cầu tối đa của khách hàng, thường là 15 đến 30 phút như được đề xuất trong Tiêu chuẩn IEEE-519

Nguồn yếu với dòng điện đòi hỏi lớn so với dòng điện danh định của chúng thường sẽ có biến dạng họa tần lớn hơn Ngược lại, nguồn mạnh với dòng điện yêu cầu thấp sẽ có biến dạng họa tần giảm đi Biến dạng tổng cầu truyền tải dựa trên dòng điện yêu cầu I L trong khoảng thời gian giám sát:

Nguồn họa tần

Trong hệ thống điện có hai loại tải chủ yếu, tải tuyến tính và tải phi tuyến Trong đó tải tuyến tính là những tải mà các tín hiệu điện áp và dòng điện tuân theo định luật Ohm, đây là lý do dạng sóng điện áp và dòng điện của tải tuyến tính trông

15 giống với dạng sóng của lưới điện Với mạch tải tuyến tính thông thường bao gồm đèn sợi đốt, động cơ, cuộn kháng dòng, tụ bù,… Một vài trường hợp khi tải mang tính dung hoặc mang tính cảm, do đó 2 dạng sóng sẽ không trùng pha với nhau nhưng không có hiện tượng biến dạng họa tần xảy ra

Hình 2.3 Mối tương quan giữa điện áp, dòng diện, công suất trong mạch điện trở thuần

Nên phần lớn nguyên nhân xuất hiện họa tần đến từ tải phi tuyến, mà dạng sóng dòng điện không giống với dạng sóng điện áp, hay có thể hiểu là tải phi tuyến là những tải mà định luật Ohm không thể mô tả mối qua hệ giữa V và I

Trong số các tải phi tuyến phổ biến nhất trong hệ thống điện là các converter, inverter, USP, đèn huỳnh quang,… Các tải phi tuyến này gây ra sự méo dạng điện áp, các hiện tượng nhiễu và vấn đề điều khiển trong các vi xử lý

Trong đó, để đánh giá sự tác động của hệ thống điện mặt trời áp mái đến họa tần, inverter của hệ thống điện mặt trời áp mái là đại diện của tải phi tuyến và góp phần nhiều vào sự tăng lên của họa tần trong hệ thống điện

Trước khi phát triển các thiết bị điện tử công suất, nguồn họa tần xuất hiện chủ yếu trên lưới điện đến từ thiết bị điện có lõi sắt từ, như máy điện, máy biến áp Trên thực tế, thời điểm nguồn chính gây ra họa tần có thể là máy biến áp đang hoạt động trong vùng bão hòa

Tuy nhiên, khi công nghiệp ngày càng phát triển và hệ thống điện mặt trời áp mái xuất hiện ngày càng nhiều, phần lớn các tải phi tuyến của xuất hiện trong mạng lưới phân phối đến từ các bộ chuyển đổi công suất

Việc chuyển đổi điện áp xoay chiều 50Hz hoặc 60Hz sang điện một chiều, trong các ứng dụng điện DC, điện áp được biến đổi thông qua việc điều chỉnh góc kích của các thiết bị chuyển mạch điện tử Cơ bản trong quá trình điều chỉnh dòng, dòng được phép đi qua các thiết bị bán dẫn trong 1 phần của chu kỳ tần số cơ bản cho phép bộ chuyển đổi được coi là thiết bị tiết kiệm điện Chính vì khả năng điều chỉnh dòng này, điều này cũng là nguyên nhân chính gây ra họa tần trên lưới

Những bộ chuyển đổi công suất được chia thành 3 nhóm chính:

• Bộ chuyển đổi công suất lớn được sử dụng chủ yếu trong các ngành luyện kim và hệ thống truyền tải HVDC

• Bộ chuyển đổi công suất trung bình được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp chủ yếu cho điều khiển tốc độ động cơ

• Bộ chuyển đổi công suất nhỏ được sử dụng phần lớn trong dân dụng, sinh hoạt bao gồm cả những bộ nguồn máy tính, TV, những bộ sạc có công suất nhỏ

Trong đó, những bộ chuyển đổi công suất trung bình và nhỏ được xem là chiếm tỷ trọng lớn trong lưới điện phân phối Hình bên dưới mô tả mối liên hệ cơ bản giữa dòng điện và điện áp trong đó sử dụng Thrysistor, qua điều này ta có thể thu được phổ họa tần dòng điện như hình Ngoài ra cũng có thể thấy sự xuất hiện của thành phần thứ tự không và họa tần bậc chẵn Điều này cũng là đặc điểm của hệ thống điện 3 pha mất cân bằng

Hình 2.4 Chuyển mạch xoay chiều với GTO và phổ họa tần dòng điện

Nếu sử dụng thiết bị chuyển mạch khác như IGBT, trong đó dòng điện được đóng ngắt ở cả chu kỳ dương và âm, phổ họa tần sẽ thu được như hình bên dưới

Hình 2.5 Chuyển mạch AC với IGBT và phồ họa tần dòng điện

Trong đó để minh họa cho bộ chuyển công suất bằng IGBT, có thể nhắc đến giải pháp phổ biến nhất hiện nay đối với các 6 pulse inverter – bộ biến tần 6 xung, được áp dụng nhiều từ công nghiệp sản xuất, điện mặt trời,… Với bộ chuyển đổi công suất 6 xung, bao gồm 6 thrysistor thường xuất hiện các bậc họa tần 5, 7, 11, 13,… những bậc họa tần này là đặc trưng được tạo ra từ bộ converter 6 xung Bên cạnh đó có thể nhắc đến những bộ converter 12 xung (mắc song song 2 bộ 6 xung) điều này sẽ làm mịn hơn dữ liệu điện ở ngõ ra nên được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp và sản xuất lớn, đặc trưng của các bộ converter 12 xung này là các họa tần bậc 11, 13,

Hình 2.6 Bộ chuyển đổi công suất 6 xung

Hình 2.7 Phổ họa tần của bộ công suất 6 xung

Những ảnh hưởng từ họa tần

Thông qua phần nguồn họa tần có thể thấy được, ngày nay rất nhiều nguồn sinh ra họa tần, và đây cũng là một trong những nguyên nhân gây ra nhiều hư hỏng về thiết bị, máy móc, và còn ảnh hưởng đến hệ thống điện Đối với khảo sát khu vực trung và hạ thế để phù hợp với luận văn, họa tần có những ảnh hưởng đến lưới điện trung và hạ thế, điều này ảnh hưởng nhiều đến tải các khu dân cư, ngành thương mại và công nghiệp bên cạnh đó cũng ảnh hưởng đến lưới điện

19 Việc sử dụng bộ lọc họa tần hiện vẫn chưa được phổ biến rộng rãi tại Việt Nam đặc biệt là đối với hệ thống điện mặt trời áp mái, một phần vì chi phí cao nên nhiều doanh nghiệp vẫn chưa trang bị hệ thống lọc họa tần trước khi phát điện lên lưới

Một số ảnh hưởng có thể nhắc đến như

• Phát nhiệt máy biến áp: họa tần đến từ tải, các nguồn phi tuyến tính và hệ thống điện mặt trời thường được kết nối vào hệ thống điện hạ thế, họa tần có thể làm cho trạm biến áp phát nhiệt, đặc biệt đối với máy biến áp khi hoạt động dưới điều kiện bão hòa, chúng trở thành nguồn tạo ra họa tần các máy biến áp được kết nối theo kiểu sao/tam giác, điều này làm xuất hiện các dòng thứ tự không và làm phát nhiệt dây trung tính Ngoài ra đối với mạng tam giác làm tăng dòng điện và phát nhiệt Điều này làm cho trạm biến áp nóng lên, ảnh hưởng tuổi thọ, xuất hiện hiệu ứng bề mặt, tổn thất điện

• Quá tải dây trung tính: Đối với hệ thống điện một pha, đặc biệt khi có sự tham gia của hệ thống điện mặt trời, họa tần dòng điện xuất hiện khá nhiều ở các kết nối trung tính máy biến áp, điều này làm tăng dòng điện hiệu dụng và xuất hiện dòng thứ tự không trong dây trung tính, dẫn đến máy biến áp hoạt động trong môi trường họa tần đòi hỏi phải đánh giá các dòng điện trung tính trong máy biến áp nối sao nối đất để tránh khả năng mất kết nối đất do quá tải Tại điều kiện xuất hiện mất cân bằng pha, điều này dễ xuất hiện quá tải đối với dây trung tính

• Cộng hưởng với tụ điện: tụ bù được sử dụng nhiều trên lưới hạ thế, đặc biệt là trong công nghiệp, sản xuất, trong đó có trường hợp tần số họa tần trùng với tần số cộng hưởng của tụ bù, điều này làm xuất hiện hiện tượng cộng hưởng làm họa tần khuếch đại lên nhiều

• Bên cạnh đó, về phía người sử dụng điện, họa tần ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị điện, thiết bị điện tử, giảm tuổi thọ, động cơ dễ hư hỏng, giảm tuổi thọ, giảm momen xoắn, động cơ ồn và rung hơn, mài mòn vòng bi, lệch trục động cơ,….

Đo lường họa tần

Có thể thấy họa tần ảnh hưởng nhiều đến hệ thống lưới điện và gây ra những hư hỏng về mặt thiết bị và còn làm một số hệ thống hoạt động sai theo như thiết lập ban đầu để có được những phương pháp giảm thiểu họa tần phù hợp, ta cần đo lường và phân tích họa tần cách chính xác, để làm được điều đó cần những thiết bị đo lường và phân tích họa tần chuyên dụng, bên cạnh đó là phương pháp đo và lấy mẫu chính xác 2.5.1 Thiết bị và mục tiêu phân tích họa tần

Việc giám sát và đo lường họa tần hết sức quan trọng đặc biệt trong lưới phân phối tại Việt Nam, họa tần đang đạt ngưỡng cao Thiết bị đo lường và phân tích họa tần được chia thành 2 loại chính

• Thiết bị đo lường và phân tích nhanh: đây thường là thiết bị xách tay, mang đi, mục đích chính là phân tích họa tần tại thời điểm xác định nhằm đánh giá chất lượng điện năng, họa tần và tình trạng của máy móc, thiết bị hay mạng lưới điện tùy thuộc vào điểm đo lường

• Thiết bị giám sát và phân tích họa tần: thiết bị này thường được lắp đặt tại nhà máy hoặc tại trạm, có thể theo dõi trong thời gian dài hạn để có thể phân tích và theo dõi trong suốt thời gian dài

Từ góc độ điện lực, các mục tiêu chung cho việc tiến hành đo lường họa tần có thể được tóm tắt sau

• Xác minh thứ tự và cường độ dòng điện hài tại trạm biến áp, các điểm xa nguồn họa tần có thể ảnh hưởng đến các cơ sở lân cận

• Xác định độ méo dạng sóng được biểu thị dưới dạng phân tích phổ

• So sánh với các thông số trước đo với các gưới hạn và mức độ lập kế hoạch được khuyến nghị

• Đánh giá khả năng cộng hưởng mạng có thể làm tăng mức độ méo dạng họa tần, đặc biết là tại cá khu vực gần tụ điện

• Thụ thập thông tin cần thiết để hướng dẫn cho người sử dụng điện kiểm soát mức độ họa tần trong giới hạn chấp nhận được

Những mục tiêu này giúp các công ty điện lực duy trì được chất lượng điện và đảm bảo rằng họa tần không gây ra các tác động tiêu cực đến hệ thống điện, khách hàng và thiết bị điện

• Xác định hiệu quả của các bộ lọc họa tần hoặc các phương án triển khai nhằm hạn chế họa tần

• Xác định xu hướng trong mức độ méo dạng họa tần và dòng điện trên cơ sở ngày, tuần, tháng và năm,…

2.5.2 Thời gian đo lường họa tần

Việc thời gian đo lường để tối ưu họa tần đang là quyết định khó khăn cho cả nhiều phía từ khách hàng đến điện lực Đối với lưới phân phối cho sinh hoạt, phổ họa tần thường đơn giản và dễ dàng có thể đo được trong phép đo ngắn hạn Tuy nhiên với những tuyến dây phân phối cho công nghiệp, thương mại, họa tần thường phức tạp hơn đo và do các thiết bị phát họa tần ở phân khúc này tương đối đa dạng

Các phép đo dài dhạn cũng có thể cần thiết để phân tích và cố gắng giải quyết những vấn đề phát họa tần của khách hàng

Theo IEEE 519 – 1992 không chỉ rõ khoảng thời gian thu thập họa tần, tuy nhiên đối với IEC 61000-2-29 đề xuất các khoảng thời gian thu thập và đánh giá họa tần 1 tuần đối với các giá trị 10 phút và 1 ngày đối với các giá trị 3s Dữ liệu được thống kê và xử lý dưới dạng 95 hoặc 99 phần trăm giá trị hằng ngày, hoặc hàng tuần

Tiêu chuẩn đánh giá họa tần

2.6.1 So sánh các tiêu chuẩn họa tần

Các tiêu chuẩn phổ biến nhất và phân tích họa tần trên toàn thế giới là IEEE ở

Mỹ và IEC ở Châu Âu Đối với IEEE tập trung vào cung cấp hướng dẫn và khuyến nghị và việc phát hiện, phân tích điểm notch, méo dạng điện áp, nhiễu sóng điện thoại, giới hạn nhấp nháy được cung cấp bởi power converter Tiêu chuẩn này đã đề cập đến các tác động đến sự tương tác mạnh mẽ giữa nguồn họa tần và lưới điện

Trong tâm chính của IEEE 519 – 1992 là lập trường phù hợp hơn trong giới hạn đối với khách hàng về lượng họa tần tối đa tại điểm PCC nhằm không gây ra méo dạng điện áp quá mức

Việc giám sát và đánh giá tại PCC nhằm xác định mức trách nghiệm đến cả từ 2 phía của điện lực và khách hàng nhằm giữ mức méo dạng họa tần nằm trong mức hạn chế, không gây ảnh hưởng lên hệ thống

Tương tự như IEEE 519, các tiêu chuẩn họa tần IEC đặt ra cũng đánh giá họa tần tại điểm PCC, chúng cũng đặt ra giới hạn cho thiêt bị của khách hàng Sau nhiều lần chỉnh sửa, tiêu chuẩn IEC cuối cùng 61000-3-23 tập trung vào việc giới hạn họa tần của thiết bị Các giới hạn họa tần riêng lẻ được yêu cầu cho từng loại thiết bị được phân loại từ A đến D, loại D được xem là nguồn phát họa tần cao nhất

Tuy nhiên không như IEEE 519-1992, IEC xem xét họa tần bao gồm dài hạn và ngắn hạn, tác động ngắn hạn được gọi là very short (3s) và sự kiện ngắn hạn (10 phút) Các sự kiện ngắn hạn nhằm mục đích giải quyết các tác động gây nhiễu đối với các thiết bị điện tử nhạy cảm với múc họa tần kéo dài đến 3s, không xét đến quá độ Tác động dài hạn liên quan đến tác động nhiệt đối với các máy biến áp, động cơ, dây cáp, tụ bù,… khuyến nghị việc đo lường thực hiện trong thời gian 1 tuần hoặc lâu hơn

Tiêu chuẩn IEEE 519-2014 là bản cập nhật mới hơn so với bản 1992, bên cạnh đó cũng có nhiều sự thay đổi khi tiêu chuẩn IEEE 519-2014 tập trung nhiều vào

2.6.2 Đo lường họa tần theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014

[58] Việc giới hạn méo dạng họa tần được đề xuất trong IEEE năm 2014 đại diện cho trách nhiệm chung trong việc kiểm soát họa tần giữa điện lực và khách hàng (do đặc trưng về thị trường điện tại Việt Nam nên phía chủ hệ thống điện và người vận hành được xem như là phía điện lực)

Những yêu cầu về méo dạng diện áp được đề xuất theo những yêu cầu sau:

• Đối với tất cả người dùng hạn chết lượng phát thải họa tần của họ ở mức hợp lý được xác định theo sự công bằng trên quyền sở hữu hệ thống cung cấp điện

• Phía điện lực thực hiện các hành động để giảm mức độ méo dạng điện áp bằng cách điều chỉnh trở kháng của hệ thống cung cấp điện khi cần thiết

22 Điều này thể hiện sự phân chia trách nhiệm trong việc kiểm soát họa tần giữa khách hàng và EVN, đảm bảo rằng cả hai bên cùng có lợi để giữ mức méo dạng họa tần cho phép và bảo vệ chất lượng điện

Tại IEEE 519-2014 có nhiều phần được kết hợp từ tiêu chuẩn cũ 1992 và tiêu chuẩn IEC 61000-4, điều này giúp cho tiêu chuẩn về họa tần được toàn diện hơn

Trong đó, các giá trị THD và TDD được xem xét đến họa tần bậc 50 so với IEEE 519 1992 là bậc 40, do một số thiết bị ngày nay có họa tần phức tạp hơn nên việc xem xét đến bậc 50 nhằm đảm bảo tránh những họa tần bậc cao xuất hiện trong hệ thống điện mà không được xét đến

Phân tích họa tần rất ngắn được đánh giá trong khoảng thời gian 3 giây dựa trên tổng 15 giá trị thời gian rất ngắn liên tục của thành phần tần số cụ thể

Phân tích họa tần ngắn hạn được đánh giá trong khoảng thời gian 10 phút dựa trên tổng hợp 200 giá trị thời gian ngắn liên tục của thành phần tần số cụ thể 200 giá trị này phải được tính trung bình dựa trên công thức bên dưới

Việc đo lường nên được diễn ra trong khoảng thời gian 7 ngày, so với 1992 là 1 ngày Đối với các phép đo họa tần thời gian ngắn, giá trị 95 th và 99 th nên được tính toán cho mỗi khoảng thời gian 7 ngày để so sánh với các giới hạn được đề xuất trong tiêu chuẩn

Việc thống kê này nên sử dụng cho cả họa tần điện áp và dòng điện, ngoại trì giá trị thời gian ngắn 99 th không được khuyến nghị cho họa tần điện áp

Trong đó các giá trị 99 th tại giá trị rất ngắn (3s) nên thấp hơn 1.5 lần so với giá trị trong bảng

Trong đó các giá trị 95 th tại giá trị rất ngắn (10 phút) nên thấp hơn so với giá trị trong bảng

Bảng 2.1 Giới hạn họa tần điện áp theo IEEE 519-2014

Bus điện áp V tại PCC Họa tần từng bậc riêng lẽ

Tổng méo dạng họa tần

Các giá trị trong thời gian rất ngắn 99 th (3s) họa tần dòng điện nên thấp hơn 2 lần so với bảng 2

Các giá trị trong thời gian rất ngắn 99 th (10m) họa tần dòng điện nên thấp hơn 1.5 lần so với bảng 2

Các giá trị trong thời gian rất ngắn 95 th (10m) họa tần dòng điện nên thấp so với bảng 2

Bảng 2.2 Giới hạn họa tần dòng điện trong hệ thông 120V đến 69kV theo IEEE 519-

Méo dạng họa tần dòng điện tối đa theo phần trăm của I L

Bậc họa tần riêng lẽ (Bậc lẻ)

Tuy nhiên, khi xét đến tiêu chuẩn Việt Nam hiện đang áp dụng theo thông tư 39 năm 2015, có thể nhận thấy được họa tần vẫn chưa có sự quan tâm đúng mực trong việc đánh giá chất lượng điện năng, khi tiêu chuẩn đánh giá họa tần chỉ tập trung vào tổng biến dạng họa tần và biếng dạng hài riêng lẻ của điện áp, trong thực tế, hệ thống điện mặt trời áp mái đưa rất nhiều giá trị họa tần dòng điện lên lưới (sẽ được phân tích rõ hơn trong chương tiếp theo)

Bảng 2.3 Giới hạn họa tần điện áp theo TCVN

Cấp điện áp Tổng biến dạng họa tần Biến dạng riêng lẻ

Hình 2.8 Biên bản kiểm tra đánh giá chất lượng điện năng từ Điện lực Đồng Nai

tổng quan Hệ thống điện mặt trời

Module pin mặt trời

PV module bao gồm các solar cell được kết nối thành chuỗi, solar cell là sự kết hợp của các linh kiện bán dẫn P-N, nhằm chuyển đổi từ năng lượng mặt trời sang điện năng bởi hiệu ứng quang điện sơ đồ mạch của PV array được minh họa như hình bên dưới

Hình 3.2 Cấu trúc mạch PV array

N P (parallel): số lượng PV module mắc song song

N s (series): số lượng PV module mắc nối tiếp

. exp PV PV S 1 P PV PV S pv P SC p RS

SC T SC T ref ref ref

Với I pv : dòng điện ngõ ra PV (A), V PV : điện áp ngõ ra của PV (V),

I SC : short cicuit current (A), I RS : diode reverse saturation current (A)

S, S ref : nominal and actual solar radiation (1000 W m / 2 ) Điều qua sơ đồ và công thức trên, có thể thấy được dòng điện và điện áp ngõ ra của PV module phụ thuộc vào số lượng PV mắc song song và nối tiếp với nhau, những thông số điện ngõ ra bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và bức xạ Điều này có thể chia thành 2 nguyên nhân chính ảnh hưởng họa tần đến từ hệ thống điện mặt trời áp mái, Công suất điện mặt trời và điều kiện thời tiết

27 3.1.1 Công suất lắp đặt điện mặt trời

Khi sự thâm nhập ngày càng cao của hệ thống điện mặt trời áp mái, điều này cũng làm tăng lên lượng họa tần được đưa vào lưới, nhiều bài báo đã cho thấy công suất lắp đặt điện mặt trời áp mái có ảnh hưởng đến họa tần

Theo bài báo [59] đã tiến hành lắp đặt và thử nghiệm trên lưới điện của trường đại học Dr.C.V Raman, được cung cấp bởi lưới phân phối với công suất 315kVA, 11/0.415kV Mô phỏng cho thấy ban đầu khi lắp đặt 10kW điện mặt trời vào bus 5, mức THD tại các bus vẫn đạt chuẩn và nằm ở mức rất thấp lần lượt cho bus 3, 4 và 5 là 0.31%, 0.28%, 0.27% Sự méo dạng họa tần tăng lên khi thực hiện mô phỏng với lắp thêm 1 hệ thống điện mặt trời áp mái 200kW vào bus 4 Do có sự tăng đột ngột về công suất điện mặt trời, điều này làm cho THD tại các bus bắt đầu vượt ngưỡng lần lượt cho bus 3, 4, 5 là 6.93%, 8.36% và 8.2%

Có thể thấy được tại bus 4 và bus 5 đã xuất hiện sự vượt ngưỡng, đặc biệt là bus

4, chính là nơi lắp đặt hệ thống điện mặt trời 200kW Tại bus 3, tuy họa tần chưa vượt ngưỡng theo IEEE 519-2014, tuy nhiên cũng có thể thấy rằng đây là mức họa tần rất cao và gây ảnh hưởng đến trạm biến áp, nơi kết nối trực tiếp với bus 3

Hình 3.3 Lưới điện trường đại học Dr.C.V Raman

Bài báo [18] cũng có phân tích tương tự khi thực hiện trên lưới điện nhiều nút, khi cho sự thâm nhập của hai nguồn họa tần đến từ hai nguồn phân tán là hệ thống điện mặt trời Mô phỏng được thực hiện với điều kiện các hệ thống điện mặt trời nối lưới, THD không được vượt quá 3%, hệ thống được mô phỏng trên điều kiện lưới bình thường và không có sự cố

Tại các nguồn phân tán DG1 và DG2 lần lượt được đấu nối vào bus 40 và bus

200, và cho tăng lần lượt tại các bus từ 500kW đến 11,5kW Có thể thấy được rằng THD tại các bus có xu hướng tăng lên và họa tần lan truyền giữa các nhánh có xu hướng cộng đồn giữa nhiều máy phát

Hình 3.4 lưới điện phân phối London Hydro Bảng 3.1 Tổng méo dạng họa tần điện áp tại các bus thuộc lưới London Hydro

500kW at each of buses 40 and 200

5MW at each of buses

Trong cùng bài báo cũng cho thấy rằng, vị trí lắp đặt và chiều dài dây dẫn không quá ảnh hưởng đến THD, dù với tuyến dây càng dài thì trở kháng sẽ càng cao, tuy nhiên, trở kháng này thường giúp loại bỏ những đỉnh họa tần khi có xuất hiện cộng hưởng chứ không quá ảnh hưởng đến tổng độ méo dạng họa tần [7]

Bảng 3.2 tổng méo dạng họa tần điện áp tại các bus khi sử dụng inverter 5MV khi có yếu tố chiều dài dây tham gia

Bus 250 (11.6 km) 2.17 2.17 2.17 2.17 2.19 Để có thể xác định được mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời, ta có thể dựa theo công thức sau [4]:

Với n pvis : số PV system trên mỗi tuyến hạ thế n dist : số lượng tuyến lưới hạ thế cho trạm trung thế

S INV : Công suất biến tần (MVA)

S TX : công suất biến áp MV/LV (MVA)

Có thể thấy rằng để xác định mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái, khi ngày càng xuất hiện nhiều trên lưới phân phối, cần có thông số về số lượng pin mặt trời, tuyến dây, công suất từng biến tần riêng lẻ và công suất trạm Theo công thức trên, với công suất trạm càng lớn, mức độ thâm nhập sẽ giảm đi và điều này cũng đồng thời làm giảm họa tần

Khi áp dụng vào bài báo [6] có thể thấy rằng khi thay thế trạm biến áp từ 315kVA thành trạm 500kVA, tổng méo dạng họa tần điện áp tại các bus cũng giảm xuống

Bảng 3.3 THD điện áp của các bus sau khi nâng công suất trạm biến áp

Type of System Total Harmonic distortion in %

Có thể thấy như phân tích trên, công suất lắp đặt có ảnh hưởng đến họa tần, tuy nhiên đó là xét với điều kiện thời tiết thông thường và chỉ tập trung vào công suất lắp đặt của hệ thống điện mặt trời Tuy nhiên khi xét đến dòng điện ngõ ra của tấm pin

PV, có sự tham gia của bức xạ và nhiệt độ ảnh hưởng đến Điều này cũng có thể xét đến nếu điều kiện thời tiết thay đổi, hay cụ thể hơn là bức xạ và nhiệt độ tấm pin thay đổi, dòng điện ngõ ra của tấm pin thay đổi, điều này làm công suất phát của tấm pin mặt trời cũng có sự ảnh hưởng Có thể nhận xét rằng, bức xạ mặt trời và nhiệt độ tác động phần nhiều vào sự chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời

Hình 3.5 Mối tương quan công suất ngõ ra tấm pin và bức xạ mặt trời

Sự thay đổi công suất này đã tác động đến họa tần, theo [8] các họa tần dòng điện đo tại PCC được ghi nhận là những họa tần bậc 3, 5, 7, 9 và 11 chiếm ưu thế quan sát, họa tần bậc cao hơn cũng được ghi nhận nhưng mức độ của chúng không đáng kể, dữ liệu được theo dõi tại hệ thống PV 20kWp tại Korinos, Northern Greece Trong các khoảng thời gian sáng của ngày, họa tần dòng điện là một tỷ lệ của dòng điện cơ bản, cũng bao gồm các thời điểm biến động đột ngột Mặt khắc, trong thời điểm bình minh và hoàng hơn lại có sự tăng đột ngột của họa tần dòng điện đặc biệt là bậc 3, điều này làm cho méo dạng họa tần tăng đáng kể

Hình 3.6 Sự thay đổi trong ngày của các thành phần dòng điện bậc 1, 3, 5, 7, 9 và 11 của họa tần dòng điện

Dù họa tần dòng điện có sự tăng đáng kể, tuy nhiên họa tần điện áp của hệ thống PV lại không có nhiều sự ảnh hưởng bởi sự thay đổi của bức xạ mặt trời Tổng méo dạng họa tần điện áp nằm trong khoảng 1,6 đến 1,25% trong quá trình hoạt động của trạm PV Nó có xu hướng tăng trong khoảng thời gian bình minh và hoàng hôn, khi công suất đầu ra thấp Tuy nhiên giá trị này giảm xuống 0.7 – 1,15% sau hoàng hôn Đáng lưu ý là vào thời gian giữa trưa họa tần bậc 5 có sự giảm nhẹ

Hình 3.7 Thành phần dòng diện bậc 1 và THD điện áp

33 Theo [9] cũng có thực hiện khảo sát hệ thống điện mặt trời áp mái 1.2MW tại trường đại học Queensland, với 1304 tấm pin mặt trời 399kWh và 26 inverter 3 pha 12.5kW Khảo sát được thực hiện tại 3 ngày đặc trưng là thời tiết nắng đẹp, ngày nhiều mây và những ngày công suất thấp

Biến tần

Biến tần là một trong những thành phần quan trọng nhất của hệ thống điện mặt trời mà cần lưu ý để phân tích họa tần Do cơ chế chuyển đổi của inverter nên gây họa tần dòng điện, các bộ biến tần được coi là một yếu tố góp phần vào độ méo dạng điện áp họa tần của lưới Nguyên lý cơ bản của biến tần là chuyển đổi điện áp DC sang AC,

34 phần lớn các bộ biến tần ngày nay sử dụng giải thuật điều khiển độ rộng xung PWM và được gọi là biến tần xung vuông

Như trao đổi ở phần trên, biến tần được chia thành 3 loại chính, nhưng đối với biến tần trong hệ thống điện mặt trời áp mái thuộc phân khúc biến tần tầm trung phù hợp trong công nghiệp, hay có thể gọi là 6 pulse converter, đóng vai trò chính trong việc chuyển đổi từ nguồn DC sang AC để thực hiện phát lên lưới Những biến tần này thường xuất hiện bậc hài 5, 7, 11, 13, đây là những bậc họa tần đặc trưng của 6 pulse converter Biến tần trong hệ thống điện mặt trời thường sử dụng các cặp GTO hoặc IGBT, để thực hiện quá trình chuyển đổi dòng, yêu cầu này tạo ra nhiều biến dạng dòng điện ảnh hưởng đến họa tần lưới điện Bên cạnh đó, do nguyên lý hoạt động của biến tần, cũng khiến cho nó trở thành nguồn phát họa tần phổ biến nhất

Hình 3.9 Phổ họa tần của bộ chuyển đổi công suất 6 xung

Về nguyên lý hoạt động cơ bản của biến tần trong hệ thống điện mặt trời áp mái, sau khi điện DC được phát từ những tấm pin mặt trời, sẽ lần lượt đi qua các khối chức năng sau để thực hiện phát điện lên lưới:

• DC/DC converter: mạch DC/DC được sử dụng nhằm tối ưu công suất đầu ra của tấm pin mặt trời nhằm đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ở điểm công suất cực đại bằng giải thuật MPPT, bên cạnh đó điện áp đầu ra của những tấm pin mặt trời có thể bị dao động theo điều kiện ánh sáng mặt trời và nhiệt độ, mạch DC/DC có thể tăng hoặc giảm điện áp đầu vào để phù hợp với biến tần DC/AC đồng thời giúp cải thiện hiệu suất hệ thống

• DC/AC inverter: đóng vai trò chính trong việc chuyển đổi điện DC sang điện

AC để phát điện lên lưới Dựa trên quá trình giám sát lưới điện, biến tần thực hiện điều chỉnh tần số, pha, điện áp để phù hợp với lưới điện, biến tần cũng sử dụng kỹ thuật điều chế xung PWM để kiểm soát điện đầu ra một cách chính xác, phối hợp cùng với hệ thống phản hồi liên tục để điều chỉnh tín hiệu ngõ ra đồng bộ tần số và điện áp với lưới

• Bộ lọc: đóng vai trò giảm bớt họa tần phát ra từ biến tần trước khi phát điện lên lưới

35 Thông qua quy trình làm việc của inverter có thể thấy được DC/AC inverter là nguyên nhân chính để xuất hiện họa tần, trong đó có thể nhắc đến 2 bước tiêu biểu góp phần tăng họa tần là kỹ thuật điều khiển độ rộng xung PWM và đồng bộ pha, tần số và điện áp khi nối lưới

3.2.1 Kỹ thuật điều chế xung PWM

Kỹ thuật điều chế xung PWM – Pulse width modulation là phương pháp điều khiển công suất rất phổ biến trong biến tần DC/AC Tuy nhiên PWM có thể làm tăng họa tần do những nguyên nhân sau

Tần số chuyển mạch: Trong PWM, tần số chuyển mạch của các thiết bị bán dẫn (như MOSFET hoặc IGBT) là rất cao Quá trình chuyển mạch nhanh này tạo ra các họa tần có tần số cao trong dòng điện và điện áp đầu ra

Biến dạng sóng: PWM điều khiển độ rộng xung để điều chỉnh điện áp đầu ra của biến tần Quá trình này có thể tạo ra sự biến dạng trong sóng điện áp và dòng điện đầu ra, từ đó tạo ra các họa tần trong tần số cơ bản

Tạo sóng bậc thang: PWM tạo ra các dạng sóng bậc thang trong quá trình chuyển mạch, điều này có thể dẫn đến sự xuất hiện của các thành phần họa tần trong dải tần số khác nhau

Hình 3.10 Mô phỏng dạng sóng phương pháp điều khiển PWM và SPWM

36 Điều này cũng có thể cho thấy với tần số chuyển mạch cao và tạo xung vuông bậc thang điều này gây ra lượng lớn họa tần, theo [10] nếu không có sự tham gia của bộ lọc thụ động, tổng méo dạng họa tần tại ngõ ra của từng pha sẽ rất cao, bên cạnh đó kỹ thuật điều khiển PWM cho sóng sin SPWM do tần số chuyển mạch quá cao, còn tạo ra lượng họa tần lớn hơn PWM thông thường

Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng PWM và SPWM không có bộ lọc họa tần

Line Vout THD Vout THD

Kiểm chứng bằng mô phỏng trên phần mềm Plecs với hệ thống điện mặt trời áp mái có thể thấy được, nếu không có sự tham gia của bộ lọc thụ động, độ méo dạng điện áp tại ngõ ra sau inverter lên đến 107,6% và THD dòng điện là 3.47%, trong khi đó, nếu sử dụng bộ lọc, THD áp chỉ còn 0.0012% và THD dòng điện 0.2882% Mức độ méo dạng cao này đến từ tần số chuyển mạch cao, với tần số cao này sẽ xuất hiện những thành phần họa tần, tiêu biểu ở các inverter 6 xung là bậc 5, 7, 11, 13

Hình 3.11 Sơ đồ mạch hệ thống điện mặt trời nối lưới xây dựng trên phần mềm Plecs

Hình 3.12 Mô phỏng bộ đọc kết quả THD trước và sau bộ lọc trên phần mềm Plecs

Theo bài báo [11] khi thực hiện việc nghiên cứu của trạm 35/10kV với biến áp 4MVA Đường dây bao gồm 11 nút và 6 máy biến áp 10/0.4kV, hệ thống điện mặt trời được đấu nối vào lưới phân phối tại nút J4 là 992kW bao gồm 4 inverter 250kW, được kết nối với 2 máy biến áp 10/04 kV của 500kVA

Hình 3.13 Sơ đồ tuyến dây khi PV lắp đặt tại bus J4 - theo tài liệu tham khảo [11]

Nếu quan sát trên bảng, có thể thấy được chỉ cần sử dụng bộ lọc họa tần bậc 5, đã có thể giúp cho các bus có thể đạt theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014, có thể nhận thấy rằng, đối với các bộ lọc thụ động chỉ cần tập trung lọc đi 1 thành phần họa tần riêng lẻ

38 tác động cao nhất, sẽ làm giảm THD của cả hệ thống đi rất nhiều Điều này cũng cho thấy rằng tầm quan trọng của bộ lọc trong hệ thống PV, và ngày nay khi các inverter cũng được trang bị low pass fillter nhằm giúp khống chế THD đầu ra đạt chuẩn

Bảng 3.5 THD tại các nút trong [11]

Without filter With filter 3 rd harmonic

Khảo sát thực tế

Phân tích họa tần điện áp từ kết quả đo lường

Kết quả dạng sóng điện áp cho thấy họa tần điện áp ít xuất hiện sự biến dạng và dao động, theo dõi tổng méo dạng họa tần điện áp cho thấy rằng, giá trị họa tần điện áp dao động trong khoảng từ 4.1% đến 7.9%, chưa xuất hiện trường hợp vượt ngưỡng xét theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014 Tại mức điện áp 0.4kV, ngưỡng họa tần điện áp là 8%, trong trường hợp này chưa xuất hiện hiện tượng vượt ngưỡng họa tần

Họa tần điện áp dao động từ 4% - 6% trong khoảng thời gian từ 0 giờ đến 6 giờ

52 phút, sau đó họa tần điện áp tăng lên từ 6.5% đến 7.9%, việc họa tần điện áp tăng nhẹ đến từ việc điện mặt trời bắt đầu sản xuất điện, có sự tăng lên của họa tần điện áp nhưng không đáng kể và vẫn nằm trong khoảng phạm vi kiểm soát, bên cạnh đó việc tăng lên còn do có sự tham gia vận hành máy móc của nhà máy Thành Long và các nhà máy khác lân cận, việc này cũng có thể thấy rõ ở mức họa tần điện áp có sự tăng lên vào buổi sáng thời điểm 6 giờ 52 phút, và đến thời gian nghỉ trưa có sự giảm họa tần điện áp từ 11 giờ 40 phút đến 13 giờ 40 phút Điều này có thể thấy rằng điều kiện bức xạ mặt trời không ảnh hưởng nhiều đến sự thay đổi họa tần điện áp, việc thay đổi họa tần điện áp còn ảnh hưởng đến từ các nguồn họa tần khác từ nhà máy sản xuất của khu công nghiệp Đức Hòa Ngoài ra, khi xem xét họa tần điện áp tại thời điểm ngày 7/7/2024 vào ngày chủ nhật, có thể thấy đây là ngày nhà máy không làm việc nên sóng hài điện áp dao động từ 4% đến 6% Nên việc ảnh hưởng của hệ thống điện mặt trời đến họa tần điện áp là rất nhỏ và phần

42 lớn đến từ biến tần của hệ thống điện mặt trời áp mái, chứ không đến từ sự thay đổi bức xạ

Bảng 4.1 Méo dạng họa tần điện áp tại các khung giờ sáng sớm và nghỉ trưa

Xem xét sự thay đổi họa tần điện áp trong ngày 6/7/2024 có thể thấy họa tần thay có sự thay đổi rất nhỏ và không đến từ sự thay đổi bức xạ mặt trời, điều này có thể thấy thông qua hình chụp từ kết quả phân tích của thiết bị đo bên dưới, với tổng méo dạng họa tần trung bình của pha 1, 2, 3 lần lượt là 5,9%, 6,3% và 5,9% và mức méo dạng cực đại của cả 3 pha lần lượt là 6,6%, 7,2%, 6,6%

Hình 4.3 Sự thay đổi tổng méo dạng điện áp trong ngày 6/7/2024

Phân tích họa tần dòng điện từ kết quả đo lường

Có thể thấy được sự thay đổi của bức xạ mặt trời không ảnh hưởng nhiều đến tổng méo dạng họa tần điện áp của hệ thống điện mặt trời, nhưng bức xạ mặt trời có thể ảnh hưởng đến méo dạng họa tần dòng điện của hệ thống điện mặt trời áp mái Như đã trình bày về lắp đặt thiết bị đo lường cho hệ thống điện mặt trời tại ngõ ra của biến tần, sử dụng cảm biến dòng điện có độ chính xác cao 800A để đo 3 dây pha của biến tần phía điện áp xoay chiều

Kết quả cho thấy tổng méo dạng họa tần dòng điện bị ảnh hưởng nhiều do bức xạ thay đổi, kết quả đo lường cho thấy tổng méo dạng họa tần dòng điện có giá trị trung bình cả 3 pha lần lượt cho pha 1, 2 và 3 là 31,8%, 34,9% và 34.6% Đánh giá họa tần dòng điện, để đánh giá họa tần dòng điện cần xác định những thông số dòng ngắn mạch và dòng làm việc, với trạm biến áp tại khu vực khảo sát là máy biến áp dầu 3 pha THIBIDI 560kVA Ta có thể xác định tỷ lệ ISC/IL như sau:

Trong đó I SC là dòng điện ngắn mạch, U SC là điện áp ngắn mạch và Z là tổng trở ngắn mạch, I L là dòng điện làm việc, U điện áp thứ cấp và Plà công suất trạm biến áp

Vị trí đo được thực hiện tại trạm biến áp 22/0.4kV 560kVA Thibidi, với điện áp ngắn mạch U k = 6% (thông số được tra trên catalogue của THIBIDI) Nên việc tính toán điện trở ngắn mạch sẽ được thay vào công thức tính toán dòng điện ngắn mạch và tính toán ISC/IL

44 Thay vào công thức tính tổng trở ngắn mạch trên có thể tính được tổng trở ngắn mạch Z=0.01714, với U k = 6% nên ta có điện áp ngắn mạch của phía thứ cấp là 24V, thay tổng trở ngắn mạch vào tính dòng ngắn mạch ta có đượcI SC 01A

Giá trị dòng điện làm việc đo được trực tiếp từ nhà máy I L 0A nên ta có tỉ số / 11.66

I I = , nên các bậc họa tần dòng điện của hệ thống điện mặt trời này sẽ được tính toán theo tỷ lệ I SC / I L  20

Bảng 4.2 Ngưỡng họa tần dòng điện theo IEEE519-2014

Méo dạng họa tần dòng điện tối đa theo phần trăm của I L

Bậc họa tần riêng lẽ (Bậc lẻ)

Có thể thấy nếu xét theo tổng méo dạng họa tần dòng điện trung bình đã vượt xa so với ngưỡng của tiêu chuẩn IEEE519-2014 với các giá trị đo được lần lượt ở cả 3 pha là 31,8%, 34,9%, 34,6% Tuy nhiên khi xét theo thời gian đo lường có thể thấy được giá trị họa tần dòng điện bị ảnh hưởng nhiều bởi bức xạ mặt trời, điều này có thể thấy rõ ràng nhất tại hình bên dưới, đặc biệt vào 2 thời điểm bình minh và hoàng hôn họa tần dòng điện tăng lên rất cao lên đến 268% tuy nhiên sau đó có dấu hiệu giảm dần khi mặt trời lên càng cao hoặc đã lặng hẳn, với giá trị tăng cao tại 1 số thời điểm nhất thời này làm cho tổng méo dạng họa tần dòng điện trung bình tăng lên Vào thời điểm mặt trời lên cao họa tần dòng điện duy trì và dao động trong khoảng từ 4% đến 7%, có xuất hiện vượt ngưỡng tại vài thời điểm, tuy nhiên kết quả đo lường này không phải lấy trong điều kiện lý tưởng nắng đẹp mà được lấy trong thời điểm nhiều mây và mưa, với sự thay đổi bức xạ liên tục làm cho họa tần dòng điện thay đổi theo

Hình 4.4 Dòng điện và họa tần dòng điện ngày 6/7/2024 của hệ thống điện mặt trời nhà máy Thành Long - Long An

Bảng 4.3 Giá trị họa tần dòng điện tại bình minh và hoàng hôn của hệ thống điện mặt trời nhà máy Thành Long

Phân tích phổ họa tần từ kết quả đo lường

Thực hiện việc phân tích phổ họa tần điện áp và dòng điện, nhận thấy được rằng họa tần bậc họa tần 5, 7, 11, 13 góp lượng họa tần phần lớn vào lưới, đặc biệt có thể thấy được họa tần bậc 5% chiếm tỷ lệ lớn nhất, đối với họa tần điện áp bậc 5 lên đến 6,9% tại pha 2, đối với họa tần dòng diện bậc 5 lên đến 34,2% tại pha 2 Thông

46 qua các bậc họa tần xuất hiện ở các bậc 5, 7, 11, 13 và không có sự xuất hiện của họa tần bậc cao, có thể thấy được đây là các bậc họa tần tiêu biểu của biến tần 6 xung

Hình 4.5 Giá trị họa tần từng bậc của hệ thống điện mặt trời

Hình 4.6 Phổ họa tần điện áp của nhà máy Thành Long

Hình 4.7 Phổ họa tần dòng điện của nhà máy Thành Long Đánh giá theo tiêu chuẩn TCVN và IEEE 519-2014, có thể thấy rằng THD điện áp vẫn đạt chuẩn, đối với lưới 0.4kV mức THD điện áp yêu cầu dưới 8%, trong khi đó

THD điện áp của cả 3 pha lần lượt là 6,6%, 7,1%, 6,6% Tuy nhiên họa tần từng bậc riêng lẽ lại vượt ngưỡng ở họa tần bậc 5 với 6,4%, 6,9%, 6,4% trong khi đó, theo

TCVN và IEEE 519-2014 yêu cầu thấp hơn hoặc bằng 5% Có thể thấy được đối với họa tần điện áp, họa tần bậc 5 chiếm tỷ trọng lớn, làm cho THD điện áp tăng cao

Thông qua việc so sánh thực tế có thể thấy được họa tần điện áp phụ thuộc nhiều vào công suất lắp đặt của hệ thống điện mặt trời, bên cạnh đó họa tần điện áp lại méo dạng rất nhiều đến từ nhiều lý do bao gồm việc hệ thống điện mặt trời đang chạy thấp hơn công suất bình thường, công suất phát không đồng đều, ảnh hưởng thời tiết, nhà máy hoạt động non tải Do việc khảo sát chất lượng điện không đi cùng với đo lường bức xạ mặt trời và đo lường từng tải nên khó đưa ra được nguyên nhân chính xác gây ra sự gia tăng họa tần dòng điện này

Và để kiểm chứng những lại việc hệ thống điện mặt trời áp mái, chương tiếp theo sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống điện mặt trời áp mái theo số liệu từ nhà máy chế biến thủy sản Nam Việt, thông qua đó để phân tích và thấy được những ảnh hưởng của họa tần khi sự thâm nhập của hệ thống điện mặt trời ngày càng tăng.

Tiến hành mô phỏng thử nghiệm

Chọn thông số cho Pin mặt trời

Theo thông tin được cung cấp từ phía nhà máy về hệ thống điện mặt trời áp máy Nhà máy sử dụng loại pin mặt trời chính là LR-72HPH-445M đến từ thương hiệu Longi có công suất pin là 445Wp Hệ thống điện mặt trời áp mái của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long được chia thành 3 cụm đến từ nhận thấy hiệu quả trong việc tiết kiệm điện năng của hệ thống điện mặt trời áp mái mang lại, nên nhà máy mở rộng thêm 2 cụm

Pin mặt trời LR4-72HPH-445M

Hình 5.1 thông số pin mặt trời LR4-72HPH-445M

Xây dựng cấu hình cho pin mặt trời LONGi cụm 1 và 2 trên phần mềm etab với những thông số được thiết lập như sau

Xét theo điều kiện chuẩn STC (standard test Conditions) với độ bức xạ

1000 W m / 2, nhiệt độ đạt mức 25 o C và độ ẩm không khí ổn định

Công suất định mức P max = 445 W Điện áp hở mạch V OC = 49,1 V Điện áp công suất cực đại V mp A,3V

Dòng điện ngắn mạch I SC = 11,53 A

50 Dòng điện công suất cực đại I mp , 78A

Kích thước tấm pin 2094x1038x35mm, 24.3kg

Hệ số nhiệt độ của I SC (  _ I SC ): +0.050% /℃

Hệ số nhiệt độ của V OC (  _Voc ): − 0.265% / ℃

Hệ số nhiệt độ của P max (  _ Pmp ): − 0.350% / ℃

Hệ số nhiệt độ của V OC được tính theo công thức bên dưới:

Nên ta có được hệ số  _Voc : +0.064% /℃

Hình 5.2 Cấu hình pin mặt trời LR4-72HPH-445M trên phần mềm ETAP

Chọn thông số cho inverter

Nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long sử dụng biến tần SUN20000 với 2 mức công suất là 100kW và 60kW, bao gồm 45 inverter SUN20000-100KTL-M1 có công suất 100kW và 5 biến tần SUN20000-60KTL-M0 có công suất 60kW cho nhà máy Mỗi cụm được phân 10 biến tần bao gồm 9 biến tần 100kW và 1 biến tần 60 kW, tổng công suất biến tần là 960kW

Hình 5.3 Thông số inverter SUN20000-100KTL-M1

5.2.1 Thông số kỹ thuật biến tần Sun2000-100KTL-M1

Qua sơ đồ bên dưới có thể xác định các mức hiệu suất của pin năng lượng mặt trời tại 618V

Hình 5.4 Biểu đồ hiệu suất của inverter SUN20000-100KTL-M1

Thông số phía DC: Điện áp đầu vào: 200V – 1000V Điện áp đầu vào tối đa: 1,100V Điện áp định mức ngõ vào: 600V

Dòng điện tối đa mỗi MPPT: 26A

Dòng điện ngắng mạch tối đa mỗi MPPT: 40A

Số kênh ngõ vào: 20 kênh

Hình 5.5 sơ đồ mạch của inverter SUN20000-100KTL-M1

Công suất thực định mức: 100kW

Công suất biểu kiến định mức: 100kVA

Công suất biểu kiến tối đa: 100kVA

Công suất thực tối đa (cos  = 1): 110kW Điện áp định mức: 400 V, 3 wire + PE

Tần số lưới AC: 50/60 Hz

Xây dựng thông số trên phần mềm etab

Công suất phía DC: được tính toán ngược lại từ thông số AC rating khi nhập công suất, điện áp và dòng điện phía AC Điện áp định mức ngõ vào: 600V

Vmax: chọn 180% (do điện áp tối đa là 110kV)

53 Vmin: chọn 30% (do điện áp tối thiểu là 200V)

FLA (Full Load Ampere): dòng điện khi đầy tải, thông số này được tính toán thông qua công suất phía DC chia cho điện áp)

Imax: chọn 150% ( do dòng điện ngắn mạch là 40A cho mỗi MPPT và dòng điện cực đại cho mỗi MPPT là 26A)

Effeciency: dựa trên biểu đồ đường để tính toán ra các thông số hiệu suất

Công suất biểu kiến được tính toán từ công suất phía DC và hiệu suất khi tải đạt 100% Điện áp ngõ ra: 0.4kV

FLA: dòng điện định mức ngõ ra là 144.4A theo thông số inverter

Các thông số hệ số công suất và điện áp cực đại, điện áp cực tiểu giữ theo mặc định

Hình 5.6 Cấu hình inverter 100kW trên phần mềm etab Để chọn nguồn phát họa tần phù hợp cho biến tần, chọn theo thư viện 6 pulse VFD, đây là dạng họa tần kinh điển của biến tần 6 xung gây ra, và có điểm tương đồng với tổng méo dạng họa tần và bậc hài riêng lẻ của bài khảo sát trên, vì họa tần tập trung phân bố ở bậc 5

Hình 5.7 Phổ và dạng sóng điển hình của họa tần 6-pulse inverter

5.2.2 Thông số kỹ thuật biến tần SUN2000-60KTL-M0

Qua sơ đồ bên dưới có thể xác định các mức hiệu suất của pin năng lượng mặt trời tại 600V

Hình 5.8 Biểu đồ hiệu suất SUN2000-60KTL-M0

Thông số phía DC: Điện áp đầu vào: 200V – 1000V Điện áp đầu vào tối đa: 1,100V Điện áp định mức ngõ vào: 600V

Dòng điện tối đa mỗi MPPT: 22A

Dòng điện ngắng mạch tối đa mỗi MPPT: 30A

Số kênh ngõ vào: 12 kênh

Hình 5.9 Sơ đồ cấu trúc SUN2000-60KTL-M0

Công suất thực định mức: 60kW

Công suất biểu kiến định mức: 66kVA

Công suất thực tối đa (cos  = 1): 66kW Điện áp định mức: 400 V, 3 wire + PE

Tần số lưới AC: 50/60 Hz

Xây dựng thông số trên phần mềm etab

Công suất phía DC: được tính toán ngược lại từ thông số AC rating khi nhập công suất, điện áp và dòng điện phía AC Điện áp định mức ngõ vào: 600V

Vmax: chọn 180% (do điện áp tối đa là 110kV)

Vmin: chọn 30% (do điện áp tối thiểu là 200V)

FLA (Full Load Ampere): dòng điện khi đầy tải, thông số này được tính toán thông qua công suất phía DC chia cho điện áp)

56 Imax: chọn 140% ( do dòng điện ngắn mạch là 30A cho mỗi MPPT và dòng điện cực đại cho mỗi MPPT là 22A)

Effeciency: dựa trên biểu đồ đường để tính toán ra các thông số hiệu suất

Công suất biểu kiến được tính toán từ công suất phía DC và hiệu suất khi tải đạt 100% Điện áp ngõ ra: 0.4kV

FLA: dòng điện định mức ngõ ra là 86,7A theo thông số inverter

Các thông số hệ số công suất và điện áp cực đại, điện áp cực tiểu giữ theo mặc định

Hình 5.10 cấu hình SUN2000-60KTL-M0 trên phần mềm ETAP

Nguồn họa tần chọn tương tự như inverter 100kW – 6 Pulse VFD.

Phân bổ pin mặt trời

Hệ thống điện mặt trời tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long sử dụng 3 biến tần với 2 biến tần có công suất 100kW và 1 biến tần có công suất 60kW được đấu nối tập trung tại tủ điện mặt trời nối trực tiếp với thanh cái trạm biến áp 22/0.4kV có công suất 560kVA Trong bài mô phỏng bỏ qua sự can thiệp của tải nhà máy và chỉ xét đến hệ thống điện mặt trời áp mái đấu nối với trạm biến áp

57 Việc phân bố pin mặt trời áp mái được chi cho biến tần 100kW với tổng số lượng pin mặt trời là 180 tấm pin và đối với biến tần 60kW với tổng số lượng là 108 pin mặt trời được phần bổ theo:

• Biến tần 100kW – 9 chuỗi x 20 tấm pin mặt trời mỗi chuỗi

• Biến tần 60kW – 9 chuỗi x 12 tấm pin mặt trời mỗi chuỗi

Hình 5.11 Phân bổ số lượng pin mặt trời cho biến tần 100kW

Hình 5.12 Phân bổ số lượng pin mặt trời cho biến tần 60kW

Mô phỏng hệ thống điện của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long

Thực hiện nhập liệu những thông số và xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm ETAP Hệ thống điện mặt trời nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long được mô phỏng với cụm điện mặt trời áp mái gồm 3 biến tần, hệ thống điện tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long được cung cấp điện với trạm 110/22kV với công suất 63MVA

Hình 5.13 Sơ đồ đơn tuyến nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long

5.4.1 Kiểm tra thông số từng inverter

Thực hiện kiểm tra từng inverter, ta ngắt CB của tất cả hệ thống điện mặt trời, chỉ chừa lại những inverter cần kiểm tra họa tần

• Inverter 100kW – 180 PV panels 445Wp: THD v = 2, 26%, THD i = 3,68%

• Inverer 60kW – 108 PV panels 445Wp: THD v = 1,37%, THD i = 2,09%

Có thể thấy rằng tổng méo dạng họa tần điện áp của tất cả các biến tần đều đạt dưới ngưỡng theo tiêu chuẩn của IEEE 519-2014 và đều dưới 3% theo công bố hãng sản xuất Nếu xem xét cụ thể hơn về từng bậc hài riêng lẽ, có thể thấy được đây là đặc trưng của biến tần 6 xung khi họa tần bậc 5 chiếm phần lớn Bên cạnh đó dạng sóng hình sine vẫn không bị ảnh hưởng quá nhiều Với biến tần 6 xung, có thể thấy được

59 những bậc họa tần điện áp điển hình là 5, 7, 11, 13 chiếm phần lớn, trong đó họa tần bậc 5 góp phần lớn vào sự méo dạng của dạng sóng điện áp

Hình 5.14 dạng sóng và phổ họa tần điện áp tại biến tần 100kW trạm 560kVA

Hình 5.15 dạng sóng và phổ họa tần dòng điện tại inverter 100kW trạm 560kVA

60 5.4.2 Tương quan giữa công suất lắp đặt pin và công suất trạm

Khi mô phỏng đóng điện riêng lẻ từng biến tần có thể thấy được các biến tần đều có tổng méo dạng họa tần thấp dưới 3% theo công bố nhà sản xuất, bên cạnh đó do đặc trưng họa tần của biến tần 6 xung nên họa tần tập trung nhiều ở bậc 5, 7, 11, 13, trong đó bậc 5 chiếm phần lớn

Khi thực hiện mô phỏng có hòa lưới của cả 3 biến tần, tổng công suất nối lưới là 460kW ta có thể thấy đươc họa tần tại tất cả các thanh cái đều đạt ngưỡng cho phép, dù lúc này họa tần tăng lên trên 3%, cụ thể tại bus 6 có tổng méo dạng họa tần điện áp là 5.63%, tuy nhiên đây vẫn là giá trị nằm trong ngưỡng cho phép xét theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014 Bên cạnh đó giá trị mô phỏng này có méo dạng họa tần thấp hơn so với đo lường thực tế tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long

Thông số mô phỏng có giá trị gần bằng giá trị thực tế đo lường trực tiếp tại nhà máy, với thông số đo lường trực tiếp tại nhà máy có giá trị trung bình từ 5.9% đến 6.3% và tổng méo dạng họa tần mô phỏng có giá trị 5.63% Nên sử dụng mô hình này tiếp tục cho việc mô phỏng Để xét mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái đến với hệ thống điện, chúng ta cần xem xét đến nhiều yếu tố, phần lớn chính là công suất của trạm biến áp phân phối nhằm xác định được mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái

Với P level (%): mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái đối với trạm biến áp phân phối n pvis : số lượng hệ thống điện mặt trời áp mái trên mỗi tuyến hạ thế n dist : số lượng tuyến lưới hạ thế cho trạm trung thế

S INV : Công suất biến tần (MVA)

S TX : công suất biến áp MV/LV (MVA)

Thông qua công thức tính toán về độ thâm nhập có thể thấy được rằng khi mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái ảnh hưởng đến công suất hệ thống điện mặt trời áp mái lắp đặt và công suất trạm biến áp Điều này cho thấy khi điện mặt trời áp mái được lắp đặt ngày càng nhiều cũng sẽ làm cho mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời tăng cao và điều này làm cho tổng méo dạng họa tần cũng sẽ tăng cao

61 Thực hện mô phỏng nhằm thể hiện sự tương quan của sự thâm nhập hệ thống năng lượng mặt trời và họa tần trên lưới Việc mô phỏng được thực hiện đối với hệ thống thâm nhập điện mặt trời tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, nhằm đánh giá mức độ thâm nhập phù hợp với trong khi họa tần tại nhà máy vẫn đạt theo ngưỡng, đồng thời xem xét khi chỉ có một nhà máy nối với lưới 110/22kV 63MVA, sự thâm nhập ảnh hưởng như thế nào Tuy nhiên đối với hệ thống điện của khu công nghiệp sẽ có sự tương tác giữa nhiều nhà máy với nhau, nên để đánh giá chính xác hơn về mức độ thâm nhập của của hệ thống điện mặt trời áp mái so với công suất trạm 110/22kV, ta thực hiện việc tăng công suất bằng việc mô phỏng nhiều nhà máy tương tự nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long lần lượt nối lưới nhằm tìm độ thâm nhập phù hợp để đảm bảo họa tần đạt trên tại nhà máy và cả khu công nghiệp Để thực hiện mô phỏng về mối tương quan của hệ thống điện mặt trời áp mái và công suất trạm biến áp nhằm tìm ra được mức độ thâm nhập phù hợp có thể tính toán theo giả thuyết như bên dưới:

Trường hợp 1 – Xét mức độ thâm nhập khi tăng công suất hệ thống điện mặt trời tại phía hạ thế

Tại trường hợp này, tăng dần công suất lắp đặt của hệ thống điện mặt trời áp mái tại bus 6, mỗi lần tăng 100kW thâm nhập của điện mặt trời Sau đó tính toán mức độ thâm nhập của từng trường hợp nhằm tìm ra mức độ thâm nhập để đảm bảo họa tần vẫn đạt theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014

Trường hợp 2 – Xét mức độ thâm nhập khi tăng công suất hệ thống điện mặt trời tại phía trung thế

Tại trường hợp này, tăng dần công suất lắp đặt của hệ thống điện mặt trời áp mái tại bus 5, những hệ thống điện mặt trời áp mái này sẽ được thêm vào như 1 trạm mới tương đương với trạm T1 của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long Sau đó tính toán mức độ thâm nhập của từng trường hợp nhằm tìm ra mức độ thâm nhập phù hợp cần được phân bổ cho mỗi trạm biến áp 110/22kV

5.4.3 Trường hợp 1 - Xét mức độ thâm nhập khi tăng công suất hệ thống điện mặt trời tại phía hạ thế

Khi thực hiện mô phỏng hệ thống điện mặt trời áp mái của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long có thể thấy được rằng tổng méo dạng họa tần điện áp mô phỏng thấp hơn so với thực tế, điều này đã được giải thích do bên cạnh nguồn họa tần đến từ hệ thống điện mặt trời, còn đến từ nhiều nguồn khác của nhà máy

Mục tiêu thực hiện mô phỏng giả thuyết này nhằm tìm ra được mức độ thâm nhập phù hợp mà nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long có thể lắp đặt điện mặt trời áp mái mà không vượt ngưỡng so với tiêu chuẩn IEEE 519-2014

Bảng 5.1 Mức độ thâm nhập ứng với tổng méo dạng sóng hài điện áp

Công suất bổ sung thêm

Mức độ thâm nhập trạm 560kVA

Mức độ thâm nhập với trạm 63MVA

Thông qua bảng 5.2 có thể thấy rằng khi hệ số thâm nhập càng tăng cao, tổng méo dạng họa tần điện áp cũng tăng cao Trong đó có thể thấy hệ thống điện mặt trời hiện hữu chiếm lên đến 82% so với trạm biến áp của nhà máy 22/04kV 560kVA, tại mức độ thâm nhập 82% có thể thấy được tổng méo dạng họa tần tại bus 6 phía hạ thế là 5.63%, tuy nhiên khi giữ nguyên công suất của trạm biến áp T1 và tăng công suất hệ thống điện mặt trời lên thì mức độ thâm nhập cũng tăng cao, tương ứng với mức độ thâm nhập 100%, công suất hệ thống điện mặt trời bằng với công suất trạm, cho thấy được tổng méo dạng điện áp là 7.6%, có thể thấy được tại mức độ thâm nhập 100% vẫn cho ra tổng méo dạng họa tần điện áp đạt dưới ngưỡng theo tiêu chuẩn IEEE 519-

2014 Đến mức thâm nhập 118% cho thấy tổng méo dạng họa tần tại bus 6 là 9.48%, tại mức thâm nhập dưới 120% cho ra được kết quả họa tần vượt ngưỡng cho phép

Tuy nhiên có thể thấy mức thâm nhập 100% cũng đưa tổng méo dạng họa tần điện áp đến giới hạn, vì nếu chỉ xét đến tổng méo dạng họa tần tuy đạt, nhưng khi có sự tham gia của các nguồn họa tần khác, cũng sẽ dễ đẩy họa tần này vượt ngưỡng, bên cạnh đó khi xét đến họa tần riêng lẻ từng bậc, tại mức thâm nhập 100% này họa tần riêng lẻ từng bậc, đặc biệt là bậc 5 có họa tần điện áp lên đến 6.25%, đây cũng là mức vượt ngưỡng Nên chọn mức độ thâm nhập 82% có tổng méo dạng họa tần là 5.63% và họa tần điện áp bậc 5 là 4.75% là phù hợp để tiếp tục mô phỏng

Thiết kế bộ lọc họa tần

Nhằm giảm thiểu lượng họa tần tác động lên lưới và để có thể tăng được mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái mà họa tần vẫn nằm trong ngưỡng cho phép của tiêu chuẩn IEEE 519-2014 Bộ lọc họa tần là cần thiết trong trường hợp này nhằm giảm thiểu lượng họa tần phát lên lưới, dù biết rằng mỗi bộ biến tần đều sử dụng bộ lọc nhằm đảm bảo chất lượng điện đầu ra đạt chuẩn dưới 3% họa tần điện áp, tuy nhiên khi sự thâm nhập của điện mặt trời ngày càng tăng, do lợi ích mang lại từ hệ thống điện mặt trời áp mái về mặt kinh tế và xu thế năng lượng sạch, nên họa tần cũng sẽ theo sự phát triển đó mà tăng lên, điều này làm gây ảnh hưởng nhiều đến độ tin cậy của hệ thống điện

Theo khảo sát hiện tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long vẫn chưa sử dụng bộ lọc họa tần Giả sử mạng lưới hệ thống điện khu công nghiệp Đức Hòa – Long An chưa sử dụng giải pháp lọc, việc thiết kế bộ lọc sẽ được sử dụng đều cho cả 2 trường hợp trên, nhằm đánh giá khi có sự tham gia của việc lọc họa tần thì có thể nâng độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời áp mái lên bao nhiêu

Trường hợp 1 thực hiện việc thiết kế bộ lọc cho trạm 22/0.4kV 560kVA, nhằm giảm thiểu lượng họa tần điện áp tại trạm này và đánh giá khi có sự tham gia của bộ lọc có thể tăng mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời lên bao nhiêu

Do đặc trưng của bộ biến tần 6 xung nên có thể thấy được họa tần chủ yếu tập trung ở họa tần bậc 5, nên trong việc lọc họa tần nhằm tăng hiệu quả kinh phí sẽ thực hiện thiết kế bộ lọc single tuned nhằm tập trung lọc họa tần bậc 5 Để thực hiện thiết kế bộ lọc single tuned bậc 5 cho hệ thống điện, ta cần thực hiện các bước sau:

Bước 1: xác định bậc họa tần cần lọc, trong trường hợp này họa tần cần lọc là họa tần bậc 5, nên có tần số f h %0Hz

Bước 2: xác định thông số công suất thực và công suất phản kháng của của lưới điện tại điểm cần thực hiện việc lọc họa tần

Bước 3: Tính toán thông số tụ điện C

Bước 4: tính toán thông số cuộn cảm L và cảm kháng XL:

Các công thức được sử dụng nhằm tính toán và thiết kế bộ lọc cho từng trường hợp Tại trường hợp 1, khi xét lưới điện hạ thế, từ tính toán phần mềm ETAP ta có Q 155,6kVar Từ đó tính toán được C32F , L92.9H và X L =0.617

Hình 5.21 Cấu hình bộ lọc đơn bậc - bậc 5, cấp điện áp 0.4kV

71 5.5.1 Tính toán độ thâm nhập tối đa khi sử dụng lọc họa tần tại phía hạ thế

Thực hiện lọc họa tần bậc 5 với phía hạ thế, ta có thể thấy được tổng méo dạng họa tần đã giảm thiểu phần lớn, bên cạnh đó vì họa tần bậc 5 chiếm phần lớn nên dù đã lọc họa tần bậc 5, nhưng họa tần bậc 5 vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong các bậc của họa tần

Khi thực hiện lọc họa tần, có thể thấy được với mức thâm nhập 82%, trước khi lọc họa tần có tổng méo dạng họa tần là 6.63%, sau khi lọc họa tần tổng méo dạng họa tần tại bus 6 chỉ còn 4.49%, điều này cho thấy rằng việc lọc họa tần mang lại hiệu quả trong giảm thiểu tổng méo dạng họa tần

Nếu chỉ xét đến tổng méo dạng họa tần, hệ thống điện mặt trời tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long có thể có mức thâm nhập đến 118% và vẫn giữ tổng méo dạng họa tần là 7.6% Tuy nhiên khi xét đến họa tần từng bậc, có thể thấy họa tần bậc 5 vẫn chiếm phần lớn Tại mức thâm nhập 100%, có thể thấy họa tần bậc 5 đã giảm từ 6.25% còn 5.25%, tuy nhên 5.25% vẫn vượt ngưỡng so với IEEE 519-2014 Nên có thể thấy với mức thâm nhập 82% vẫn phù hợp với hệ thống điện mặt trời áp mái của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, xét theo tiêu chuẩn IEEE 519-

Bảng 5.3 Mức độ thâm nhập ứng với từng tổng méo dạng họa tần tại bus 6 trước và sau khi có bộ lọc

Công suất bổ sung thêm

Mức độ thâm nhập trạm 560kVA

THD bus 6 - 0.4kV - trước khi dùng lọc

THD bus 6 - 0.4kV - khi dùng lọc

Hình 5.22 Hệ thống điện nhà máy Thành Long khi có bộ lọc

Tuy nhiên khi thực hiện hòa lưới cùng với 16 nhành nhà máy khác, có thể thấy họa tần của nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long giảm xuống đáng kể từ 8.03% còn 6.5%, tức lúc này khi hòa lưới cùng lúc 16 nhánh, dù chỉ lọc riêng mỗi nhà máy Thành Long, nhưng tổng méo dạng họa tần tại đó vẫn đạt ngưỡng cho phép, tuy nhiên họa tần bậc 5 vẫn nằm ở mức 5.25%, nhưng có thể thấy được hiệu quả của việc lọc

Giả sử số lượng nhánh là không thay đổi và mỗi nhà máy thực hiện việc lọc họa tần bậc 5, có thể thấy được tổng méo dạng họa tần lúc này tại cái bus hạ thế là 6.16%, dù giảm được tổng méo dạng họa tần, nhưng nếu so sánh giữa việc lắp đặt cho 1 nhánh và lắp đặt cho cả 16 nhánh ta có thể thấy việc lắp đặt cho tất cả các nhánh không mang lại hiệu quả, bên cạnh đó còn tốn nhiều chi phí, trong khi đó họa tần bậc 5 vẫn giữ mức 5.25% Điều này cho ta thấy, việc lọc họa tần bậc 5 cho nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long, có thể giảm tổng méo dạng họa tần đạt ngưỡng, nhưng họa tần bậc 5 vẫn vượt ngưỡng, khi nối 16 nhánh Nhưng thông qua việc lọc có thể nâng mức độ thâm nhập của hệ thống điện khi công nghiệp Đức Hòa từ 2.19% với 3 nhánh thành 5.84% với 8 nhánh, với tổng méo dạng họa tần là 5.63% và họa tần bậc 5 là 5%, mà vẫn đảm bảo được họa tần vẫn đạt từ cả 2 phía chủ doanh nghiệp và khu công nghiệp

Hình 5.23 Sơ đồ hệ thống điện 8 nhánh tại khu công nghiệp Đức Hòa

Đề xuất phương pháp xác định mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời

Có thể thấy việc xác định mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời giúp cho việc xác định được tổng mức thâm nhập tối đa có thể hòa lưới cho từng trạm biến áp Thông qua việc xác định mức độ thâm nhập, việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái cũng sẽ hiệu quả hơn mà không làm vượt ngưỡng họa tần trước khi tiến hành lắp đặt hay phát triển khu vực

Nên đề xuất phương án tổng quát để có thể xác định mức độ thâm nhập phù hợp cho nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long để có thể xác định được công suất hệ thống điện mặt trời áp mái tối đa có thể lắp tại nhà máy

Bước 1: Cần xác định được thông số liên quan đến công suất trạm biến áp của nhà máy, công suất phản kháng tại nhà máy, tình trạng lưới điện hiện hữu tại khu công nghiệp, công suất điện mặt trời mong muốn lắp đặt, tính toán mức độ thâm nhập so với trạm biến áp nhà máy

Bước 2: Chọn tiêu chuẩn về chất lượng điện cần tuân theo, cần tuân theo chất lượng điện tại khu vực

Bước 3: Sử dụng phần mềm ETAP để mô phỏng lại lưới điện của nhà máy, điều chỉnh các thông số để khớp với tình trạng lưới điện khu công nghiệp hiện hữu

Bước 4: Sử dụng bộ lọc họa tần nếu cần thiết

74 Bước 5: Mô phỏng lại lưới điện với sự tham gia của bộ lọc họa tần, điều chỉnh lại mức độ thâm nhập nếu vẫn vượt ngưỡng so với tiêu chuẩn

Việc sử dụng phương pháp xác định mức độ thâm nhập giúp cho chủ doanh nghiệp có thể xác định được công suất tối đa để lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái tại nhà máy của mình và vẫn đảm bảo ngưỡng họa tần vẫn đạt tiêu chuẩn

Phương pháp tìm mức độ thâm nhập này đã được ứng dụng trong bài luận văn này nhằm tìm ra mức độ thâm nhập có thể lắp đặt tối đa công suất điện mặt trời nhưng vẫn đạt ngưỡng họa tần

Tổng kết và đề xuất hướng phát triển

Luận văn tập trung vào nghiên cứu hệ thống điện mặt trời áp mái ảnh hưởng đến họa tần của lưới điện phân phối, thông qua việc xem xét nhiều bài nghiên cứu trên thế giới và trong nước có thể nhận thấy đề họa tần của hệ thống điện mặt trời đã được quan tâm từ rất sớm và có nhiều nghiên cứu về sự thâm nhập cao của hệ thống điện mặt trời gây tăng tổng méo dạng họa tần trên lưới điện, điều này đặc biệt phù hợp với hệ thống điện mặt trời áp mái và lưới điện phân phối Tuy nhiên vấn đề này vẫn chưa có nhiều sự quan tâm tại thị trường Việt Nam, đặc biệt đối với hướng ứng dụng thực tiễn, nhiều nhà máy sử dụng hệ thống điện mặt trời vẫn chưa ý thức được sự nghiêm trọng của họa tần gây ra do hệ thống điện mặt trời áp mái Để có thể đánh giá được những vấn đề của họa tần, luận văn sử dụng tiêu chuẩn IEEE 519 – 2014, được xem là tiêu chuẩn mới nhất và đầy đủ những thông tin để đánh giá về họa tần, bên cạnh đó tiêu chuẩn để đánh giá họa tần tại Việt Nam đang sử dụng được dựa theo IEC 61000, trong thời điểm họa tần đang dần càng được quan tâm hơn, việc sử dụng IEEE 519 –

2014 để phân tích họa tần sẽ tối ưu và đầy đủ hơn

Trong đó, nguyên nhân phát họa tần lên lưới điện đến từ công suất lắp đặt của hệ thống điện mặt trời, yếu tố này gây ảnh hưởng trực tiếp lên độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời, đây là thông số phụ thuộc vào công suất lắp đặt của hệ thống điện mặt trời và công suất của trạm biến áp phân phối tại khu vực đó, khi phần trăm thâm nhập của hệ thống điện mặt trời tăng sẽ làm tăng tổng méo dạng họa tần điện áp THDv trên lưới Trong khi đó, những yếu tố do thời tiết làm thay đổi bức xạ và nhiệt độ, điều này làm ảnh hưởng đến tổng méo dạng họa tần dòng điện của hệ thống điện mặt trời

Khi thực hiện khảo sát, đo lường thực tế tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long có thể thấy việc thay đổi bức xạ ảnh hưởng nhiều đến họa tần dòng điện, tuy nhiên không ảnh hưởng đến họa tần điện áp Tại các mốc thời điểm bình minh và hoàng hôn, họa tần dòng điện có thể lên đến hơn 200% trong khoảng thời gian ngắn, việc đo lường được thực hiện vào thời điểm nhiều mây và mưa nhưng ngoài 2 khung giờ trên có thể được họa tần dòng điện vẫn nằm trong mức đạt theo ngưỡng họa tần theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014 Nên khi xét họa tần dòng điện trung bình lên đến hơn 20% nhưng thực tế khi xem xét tại từng mốc thời điểm, việc họa tần dòng điện tăng cao đột ngột trong thời gian ngắn không ảnh hưởng nhiều đến hệ thống điện đồng thời nhà máy, vì tại những thời điểm đó nhà máy cũng không hoạt động để ảnh hưởng đến chất lượng điện và hư hỏng thiết bị Bên cạnh đó có thể xác thực được loại biến tần của nhà máy Thành Long là loại biến tần 6 xung, với những bậc họa tần chủ yếu là bậc

5, 7, 11, 13 Việc đo lường được thực hiện bởi thiết bị chuyên dụng này có được những thông số đáng tin cậy và chính xác nhất Thông qua việc này có thể dễ dàng chọn được loại nguồn họa tần phù hợp cho việc thực hiện mô phỏng

Khi xét đến họa tần điện áp tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long vẫn đạt ngưỡng theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014, có thể thấy được bên cạnh nguồn phát họa

76 tần đến từ biến tần của hệ thống điện mặt trời, cũng có các nguồn khác tham gia nhưng họa tần vẫn đạt dưới ngưỡng, nên họa tần điện áp với công suất 460kW cho trạm biến áp 560kVA vẫn đạt chuẩn Nhằm khảo sát nhà máy khi có sự thâm nhập cao của hệ thống điện mặt trời đã tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm ETAP, với các thông số được lựa chọn theo thông số của nhà máy, thực hiện việc xây dựng mô hình và so sánh với nhà máy khớp nhau

Xét mục tiêu phân tích họa tần điện áp khi sự thâm nhập hệ thống điện mặt trời ngày càng tăng, có thể thấy tại mức thâm nhập 100% tổng méo dạng họa tần vẫn đạt dưới ngưỡng tiêu chuẩn IEEE 519-2014, và bên cạnh đó tại điểm đấu nối chung có họa tần rất nhỏ và không đáng kể, nên việc giảm thiểu họa tần mang vai trò giúp nhà máy giảm thiểu những hư hỏng ảnh hưởng đến nhà máy của mình Tại mức thâm nhập 82%, tổng méo dạng họa tần là 5,63% và họa tần riêng lẻ đều đạt dưới ngưỡng Tuy nhiên khi tăng mức độ thâm nhập lên 100%, dù tổng méo dạng họa tần vẫn đạt ngưỡng nhưng họa tần riêng lẻ lúc này là 6.25% vượt cao hơn so với tiêu chuẩn Đến khi mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời có tổng méo dạng họa tần vượt hoàn toàn so với tiêu chuẩn Nên tại khu vực nhà máy, mức độ thâm nhập đạt 82% được xem là phù hợp để tiếp tục phát triển mô hình cả khu công nghiệp Đức Hòa

Tại khu công nghiệp Đức Hòa khi cho hòa lưới từng nhánh nhà máy tương tự như nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long vào có thể thấy được khi lên đến 16 nhánh với mức thâm nhập 11.68%, xét phía ban quản lý khu công nghiệp tổng méo dạng họa tần vẫn nằm trong ngưỡng cho phép, tuy nhiên họa tần tại từng nhà máy đã bắt đâu vượt ngưỡng với 8.03% Bên cạnh đó khi xem xét họa tần riêng lẻ từng bậc tại khu công nghiệp có thể thấy với mức độ thâm nhập 8.76% là phù hợp với tổng méo dạng họa tần 3.33% và họa tần bậc 5 là 2,97% Tuy nhiên tại mức nhà, những nhà máy đều có họa tần riêng lẻ vượt ngưỡng Xét về góc nhìn nhà máy, nhà máy sẽ đạt ngưỡng họa tần nếu chỉ có 3 nhánh nối lưới 22kV

Tuy nhiên khu công nghiệp và tình trạng lưới điện hiện hữu là không thay đổi nên đề xuất xây sử dụng bộ lọc họa tần bậc 5 tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long nhằm kiểm soát được họa tần, và kết quả cho thấy khi sử dụng bộ lọc họa tần đơn bậc, xét tổng méo dạng họa tần có thể lên đến hòa lưới 16 nhánh, tuy nhiên xét cả về họa tần từng bậc riêng lẻ, đã nâng được mức độ thâm nhập của hệ thống điện mặt trời từ 3 thành 8 nhánh

Hiện tại nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long vẫn có ngưỡng họa tần đạt theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014, tuy nhiên trong tương lai khi có nhiều nhà máy trong khu vực lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái ngày càng nhiều, càng nên cân nhắc việc lắp đặt bộ lọc thụ động lọc đơn bậc, đây có thể được xem là giải pháp giúp tiết kiệm chi phí đầu tư và hiệu quả với mức thâm nhập như đã đề trên

Luận văn cũng đề xuất phương pháp xác định mức độ thâm nhập nhằm giúp cho phía nhà máy sản xuất thiết bị điện Thành Long có thể sử dụng khi cân nhắc xây

77 dựng hệ thống điện mặt trời áp mái mới hay có ý định mở rộng hệ thống điện mặt trời hiện hữu, điều này cũng giúp có thể sử dụng tối đa công suất lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái nhưng vẫn đạt ngưỡng cho phép

Luận văn này tập trung nghiên cứu về sự thâm nhập của hệ thống điện mặt trời và họa tần, nên luận văn có những hướng phát triển như sau có thể được nghiên cứu thêm:

• Tìm ra phương pháp tính độ thâm nhập phù hợp cho từng trạm phân phối và trạm 110/22kV, điều này giúp cho có thể xác định được khu vực trạm 100kV có thể lắp đặt được bao nhiêu hệ thống điện mặt trời và từng trạm phân phồi có thể tính được mức độ thâm nhập mà vẫn giữ cho tất cả các bus đạt theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014

• Phân tích tổng méo dạng họa tần dòng điện khi bức xạ thay đổi trong điều kiện hoạt động có tải và dòng cơ bản thay đổi, từ đó xác định được sự tương quan giữa tải làm việc và hệ thống điện mặt trời khi bức xạ thay đổi, trong luận văn chỉ xét đến yếu tố thay đổi bức xạ, tuy nhiên vẫn còn rất nhiều trường hợp như mây che hay các trường hợp thoáng qua làm ảnh hưởng đến tổng méo dạng họa tần dòng điện