Ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời Solar PV công suất lớn đối với hệ thống điện và giải pháp ngăn ngừa

Bài viết xem xét sử dụng BESS (hệ thống Pin tích năng) so sánh với việc sử dụng STATCOM thông qua đánh giá tính ưu việt của từng loại thiết bị đối với các tác động phục hồi tần số cũng như ổn định hệ thống. Phần mềm PSS/E-33 dùng để mô phỏng phân tích vấn đề này.

210 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 ẢNH HƯỞNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI SOLAR PV CÔNG SUẤT LỚN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ GIẢI PHÁP NGĂN NGỪA Lê Cao Quyền [1], Lê Văn Đại [2], Trần Viết Thành [1] [1] [2] Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 4, Khoa Công nghệ điện, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Theo QHĐ VII điều chỉnh, tính đến năm 2025 cấu nguồn điện sử dụng lượng tái tạo lớn chiếm đến 12,5%, điện mặt trời chiếm tỷ trọng cao Khác với nguồn điện khác, tác động nguồn điện mặt trời có cơng suất lớn lên hệ thống điện ảnh hưởng gián đoạn xạ mặt trời lớn, đặc biệt làm ảnh hưởng đến tần số khu vực lưới điện đấu nối gây sa thải phụ tải khu vực liên quan Ngoài ra, cố ngắn mạch lưới điện có đấu nối với nguồn điện mặt trời Solar PV có cơng suất lớn gây vấn đề ảnh hưởng đến tần số, ổn định hệ thống điện cần quan tâm Để giải vấn đề viết xem xét sử dụng BESS (hệ thống Pin tích năng) so sánh với việc sử dụng STATCOM thơng qua đánh giá tính ưu việt loại thiết bị tác động phục hồi tần số ổn định hệ thống Phần mềm PSS/E-33 dùng để mơ phân tích vấn đề ĐẶT VẤN ĐỀ Theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh, tính đến năm 2025 cấu nguồn điện sử dụng lượng tái lớn chiếm đến 12,5%, điện mặt trời chiếm tỷ trọng cao Ngoài ra, ngày 11/4/2017, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg chế khuyến khích phát triển dự án điện mặt trời Việt Nam Với chế khuyến khích dự án điện mặt trời chủ đầu tư chạy đua để triển khai làm thủ tục đầu tư xây dựng dự án điện mặt trời nhằm đưa vào vận hành trước ngày 30/6/2019 để hưởng chế theo Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg nêu Với quy hoạch tỉnh Ninh Thuận đến năm 2025 tổng công suất lắp đặt dự kiến tăng thêm từ 2100 MW lên đến 4200 MW Với lượng công suất nhà máy điện mặt trời (NMĐMT) lớn không tránh khỏi ảnh hưởng đến tần số gây sa thải phụ tải khu vực lưới điện đấu nối bị gián đoạn xạ mặt trời Ngoài ra, cố ngắn mạch lưới điện có đấu nối với nguồn điện mặt trời công suất lớn gây vấn đề ảnh hưởng đến tần số, ổn định hệ thống điện phải quan tâm Đây vấn đề phức tạp khó khăn trình vận hành hệ thống điện có tỷ trọng điện mặt trời cao Để xem xét ảnh hưởng nhà máy điện mặt trời công suất lớn viết tiến hành phân tích ảnh hưởng nhà máy điện mặt trời… Đưa giải pháp hạn chế dao động ảnh hưởng đến hệ thống điện từ nhà máy điện mặt trời công suất lớn PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 211 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ CÁC MƠ HÌNH TÍNH TỐN Các pin mặt trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, chúng làm từ vật liệu bán dẫn, ánh sáng mặt trời hấp thụ vật liệu này, lượng mặt trời đánh bật hạt điện tích (electron) lượng thấp nguyên tử vật liệu bán dẫn, cho phép hạt tích điện di chuyển vật liệu tạo thành điện Quá trình chuyển đổi photon thành điện gọi hiệu ứng quang điện 2.1 Mơ hình Photovoltaic (PV) Arrays 2.1.1 Pin mặt trời Pin mặt trời (viết tắt PV cell) có đặc tính V-I đặc biệt, chịu ảnh hưởng thay đổi trở kháng tải, cường độ xạ nhiệt độ Khi cường độ xạ tăng dòng điện ngắn mạch PV cell tăng theo sóng điện áp hở mạch thay đổi không lớn Khi nhiệt độ tăng làm tăng dịng ngắn mạch kèm theo suy giảm điện áp hở mạch Các PV cell có cơng suất cực đại vận hành điểm nối đặc tính nguồn dịng nguồn áp Thuật toán chọn điểm làm việc cực đại (Maximum Power Point Tracking - MPPT) đảm bảo cell luôn vận hành điểm có cơng suất cực đại Hình 1: Mơ hình tế bào PV PV cell mơ hình nguồn dòng, Iph phát dòng điện hiệu ứng quang điện dòng điện bão hòa ngược I0 dịng qua diode Trong mơ hình cịn có Rs điện trở nối tiếp điện trở cell, điện trở dây dẫn, điện trở bề mặt; Rsh điện trở song song tạo tượng dòng rò theo rìa PV cell dịng rị dọc theo vết nứt nhỏ hạt Mối quan hệ vật lý dòng điện điện áp thể theo công thức bên [4]: = − ( Trong đó: I dịng điện cell; V điện áp cell; ) −1 − + (1) 212 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Iph dòng điện phát từ tượng quang điện; I0 dòng điện bão hòa diode; q điện tích electron; k số Boltzman; T nhiệt độ môi trường, n hệ số lý tưởng Để tạo hệ thống PV có dịng điện điện áp định mức thích hợp, số cell kết nối song song nối tiếp Mặc dù có mơ hình tốn học dựa lý thuyết vật lý để mô PV cell, lý thực tiễn nên viết dựa liệu sẵn có nhà sản xuất, mơ hình tốn học mơ tả [5] = (1 − −1 ) = (1 − = ( (3) ) − 1)[ln − (2) ] (4) Trong đó: Voc điện áp hở mạch; Isc dịng điện ngắn mạch; Vm điện áp điểm làm việc cực đại; Im dòng điện điểm làm việc cực đại Các thông số đưa theo điều kiện tiêu chuẩn Để có kết xác thơng số đầu cần xét đến thay đổi cường độ xạ nhiệt độ đầu vào cell PV V’oc, I’sc, V’m and I’m giá trị phụ thuộc vào thay đổi cường độ xạ nhiệt độ đầu vào thể sau: ∆T = T − T S ∆S = − S = V (1 + ∆ ) = V (1 − c∆T [ln(1 + b∆S)]) S (1 + a∆T) I = I S Trong đó: S cường độ xạ, Sref = 1000 W/m2; (5) (6) (7) (8) (9) PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 213 T nhiệt độ Tref = 25 oC; V’0c điện áp hở mạch mới; I’sc dòng điện ngắn mạch mới; V’m điện áp điểm làm việc cực đại mới; I’m dòng điện điểm làm việc cực đại Các thơng số tính với giá trị tiêu chuẩn cường độ xạ, S = 1000 W/m2 T = 25 oC 2.1.2 Thuật toán chọn điểm làm việc cực đại (Maximun Power Point Tracking MPPT) Mục tiêu việc dùng MPPT nhà máy PV để tối dùng để nâng cao ổn định hệ thống cần thiết, hấp thụ công suất từ lưới đẩy công suất lên hệ thống trường hợp khẩn cấp Nếu công suất thiết bị BESS đủ để hấp thụ đẩy tồn cơng suất cần thiết hệ thống trường hợp khẩn cấp giảm thiểu ổn định tần số Hình 5: Mơ hình thiết bị BESS Mơ hình điều khiển BESS Điều khiển BESS dựa tín hiệu phụ trợ tần số hệ thống Paux thông qua thiết bị PAUX1 Trong trường hợp này, chức BESS hạn chế dao động tần số Mơ hình PAUX1 (hình 6) điều khiển tỷ lệ với số Kc yêu cầu Ngõ vào lấy tín hiệu dao động tần số, ngõ điều khiển công suất, gửi đến mơ hình BESS Đáp ứng cơng suất BESS tỷ lệ với độ lệch tần số nút, nơi pin nối Ngồi ra, có lọc thông thấp (hằng số thời gian TR), lấy mẫu thiết bị chuyển đổi có độ trễ (hằng số thời gian TD) khối giới hạn đầu ra, để giới hạn công suất tác dụng pin Hình 6: Mơ hình thiết bị điều khiển BESS 216 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 2.4 Các kịch mơ Bài viết mơ hình hóa xây dựng hệ thống lưới điện 500 kV, 220 kV Việt Nam, tỉnh Ninh Thuận phù hợp với QHĐ VII điều chỉnh có xem xét đến quy hoạch nguồn lượng tái tạo tỉnh Ninh Thuận đến năm 2025 Trong NM ĐMT khu vực huyện Thuận Nam mô nhà máy ĐMT (Solar T.N 24) có cơng suất tổng 1.187 MW (Cos = ±0,95) đấu nối với trạm biến áp 220 kV Thuận Nam qua đường dây mạch kép 220 kV dài khoảng 15 km Hình phân bố công suất lưới điện 500 kV, 220 kV khu vực kết nối tỉnh Ninh Thuận Bình Thuận thời điểm lúc 11h am Hình hoạt động ngày Solar T.N 24, thời gian tính tốn phân tích 24h với thời gian lấy mẫu theo 60 phút/lần Hình 7: Phân bố cơng suất lưới điện 500 kV, 220 kV khu vực Ninh Thuận Bình Thuận Để đánh giá ảnh hưởng nhà máy điện mặt trời cơng suất lớn đến lưới điện, viết trình bày kịch mô sau:  Kịch 1: Ảnh hưởng mây che gây ảnh hưởng đến cường độ xạ;  Kịch 2: Sự cố ngắn mạch cung đường dây 220 kV Thuận Nam – 220 kV Solar T.N24 với thời gian tồn cố 0,2 sec PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 217 80.00 1.084 60.00 1.082 40.00 1.080 20.00 1.078 0.00 1.076 -20.00 00:00:00 04:36:00 09:12:00 220THUANNAM220_THUANAM24_1: Loading in % 13:48:00 18:24:00 [s] 1.074 23:00:00 859672 THUANAM24: u, Magnitude in p.u 1600.00 11:00:00 1180.000 MW 1200.00 800.00 400.00 11:00:00 171.695 Mvar 0.00 -400.00 00:00:00 04:36:00 09:12:00 13:48:00 18:24:00 23:00 THUANAM24: Total Active Power in MW THUANAM24: Total Reactive Power in Mvar Hình 8: Hoạt động NMĐMT Solar T.N24, cơng suất mạch đường dây 220 kV Thuận Nam 24TBA 220 kV Thuận Nam dao động điện áp 220 kV T.N24 ngày 2.4.1 Ảnh hưởng mây che gây ảnh hưởng đến cường độ xạ Một đám mây che phủ lớn thay đổi độ rọi lượng mặt trời làm thay đổi lớn công suất Solar T.N24 Việc lượng lớn công suất PV thời gian ngắn có tác động đáng kể đến hệ thống gây dao động tần số điện áp lưới Mặc dù khơng có ghi nhận từ liệu khứ tượng này, nhiên viết xem xét tính tốn trường hợp theo hướng tiêu cực Trong xem xét thời gian đám mây che phủ trì thời gian đến phút Với thời gian mây che lượng xạ mặt trời giảm mạnh từ 1000 W/m2 xuống W/m2 phục hồi trở lại sau Hình 9: Cường độ xạ mặt trời thay đổi phút tác động mây che tương ứng với công suất phát Solar Thuận Nam 218 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Hình 10: Dao động tần số 220 kV Thuận Nam Hình 10 trình bày dao động tần số 220 kV Thuận Nam Tần số giảm gần 1,5 Hz lượng công suất 1000 MW phục hồi dần đám mây qua, nhiên tần số sau có xu hướng tăng lên trước trở giá trị định mức 240.5 Without-FACTS 240 Voltage (kV) 239.5 239 238.5 238 237.5 237 236.5 236 10 20 30 40 Time (sec) 50 60 70 Hình 11: Dao động điện áp 220 kV Thuận Nam Hình 11 thể biên độ dạng sóng điện áp 220 kV trạm biến áp 220 kV Thuận Nam Nhận thấy biên độ điện áp thời điểm cường độ xạ mặt trời giảm có dao động lớn tăng vọt đột ngột Sau thời gian dao động điện dần phục hồi ổn định chế độ vận hành bình thường Với kết mơ nhận thấy trường hợp cường độ xạ mặt trời thay đổi đột ngột gây gián đoạn phát công suất nhà máy điện mặt trời Kéo theo giảm xạ mặt trời từ 1000 W/m2 xuống W/m2 dao động điện áp tần số nút, nhiên so với yêu cầu quy định [9] dao động nằm phạm vi cho phép vận hành PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 219 2.4.2 Sự cố ngắn mạch mạch đường dây 220 kV Thuận Nam – 220 kV Solar T.N24 với thời gian tồn cố 0,2s Trường hợp này, báo giả định trường hợp cố mạch đường dây 220 kV Thuận Nam – 220 kV Solar T.N24 thời gian t = 1s cố loại trừ sau 0,2s Đường dây vận hành mạch Trường hợp xạ mặt trời tính tốn mức 1000 W/m2 Hình 12: Đáp ứng cơng suất phát nhà máy Solar T.N24 Hình 13: Dao động điện áp 220 kV Thuận Nam Hình 14: Dao động tần số 220 kV Thuận Nam 220 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Hình 13, 14 trình bày dao động điện áp tần số 220 kV Thuận Nam Tần số tăng khoảng gần 0,5 Hz khoảng thời gian cố dao động giá trị định mức sau khoảng sec 2.5 Các giải pháp nâng cao ổn định Tương ứng với kịch nghiên cứu, kết phân tích thấy nhà máy Solar T.N24 tạo ảnh hưởng điện áp tần số đến hệ thống, nhiên dao động nằm phạm vi cho phép thông tư 25/2016/TT - BCT [9] Nhưng với mục tiêu nâng cao chất lượng điện năng, tăng độ ổn định hệ thống điện, báo xem xét giải pháp tích hợp vào hệ thống lưới điện đưa vào vận hành thiết bị STATCOM (công suất ±500 MVAr) BESS (P = 500 MW, Q = ±500 MVAr) Ba trường hợp đưa xem xét trường hợp lưới không trang bị thiết bị FACTS, lưới trang bị STATCOM lưới trang bị BESS hình 15 So sánh ưu điểm thiết bị thông qua đánh giá dao động tần số điện áp qua phân tích ổn định hệ thống Hình 15: Sơ đồ đấu nối nhà máy điện mặt trời T.N24 giải pháp 2.5.1 Ảnh hưởng mây che gây ảnh hưởng đến cường độ xạ Hình 16: Dao động tần số 220 kV Thuận Nam PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 221 Hình 16, 17 kết so sánh trường hợp có khơng có lắp đặt thiết bị hỗ trợ Kết cho thấy trường hợp ảnh hưởng mây che, STATCOM không tham gia hỗ trợ trì tần số lưới điện STATCOM với chức phát/thu công suất phản kháng không tham gia điều phối công suất tác dụng, trường hợp khơng trang bị thiết bị FACTS, tần số lưới điện hệ thống có lắp đặt STATCOM giảm thấp đến 1,5 Hz có tượng mây che Ngược lại, BESS lại đóng vai trị lớn việc trì tần số Hình 17 cho thấy trường hợp lưới điện trang bị STATCOM, tần số giảm đến 1,5 Hz thời điểm 10 sec, lưới điện có trang bị thiết bị BESS, tần số giảm khoảng 0,6 Hz Ưu điểm lượng công suất lớn từ NMĐMT, BESS tham gia cung cấp phần công suất tác dụng lưới nhằm trì tần số đảm bảo khơng cho tần số giảm nhiều Hình 17: Đáp ứng công suất phản kháng STATCOM vận hành BESS (xả) Hình 18: Dao động điện áp 220 kV Thuận Nam Đối với ổn định điện áp, thời điểm xạ giảm 0, STACOM giữ điện áp tốt cho độ vọt lố điện áp thấp so với BESS Tuy nhiên, giai đoạn trở xác 222 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 lập, BESS điều khiển biên độ điện áp trở xác lập với đáp ứng thời gian nhanh so với STATCOM 2.5.2 Sự cố ngắn mạch Xem xét trường hợp cắt loại trừ cố pha mạch đường dây 220 kV Thuận Nam – Solar T.N24 với thời gian tồn cố 0,2s Điểm cố nằm gần TBA 220 kV Solar T.N24 Trường hợp xạ mặt trời tính tốn mức 1000 W/m2 Hình 19, 20 trình bày kết so sánh trường hợp có khơng có lắp đặt thiết bị hỗ trợ cố lưới điện có đấu nối với NMĐMT Kết cho thấy, xét chất lượng điện áp, STATCOM trì điện áp tốt giai đoạn sau cố, BESS lại cho độ vọt lố điện áp cao Tuy nhiên, xét tần số thấy BESS chiếm ưu trì tần số dải yêu cầu tốt Hình 21 trình bày hoạt động nạp, xả thiết bị BESS đáp ứng công suất phản kháng đầu STATCOM trình độ Hình 19: Dao động điện áp 220 kV Thuận Nam Hình 20: Dao động tần số 220 kV Thuận Nam PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 223 STATCOM and BESS Output 600 STATCOM-Qout(MVAr) BESS-Charging(MW) BESS-Qout(MVAr) 400 200 -200 -400 Time (sec) 10 Hình 21: Đáp ứng cơng suất phản kháng STATCOM vận hành BESS (nạp) 2.6 Kết luận Bài viết thực xây dựng mơ hình thiết bị PV, STATCOM, BESS phần mềm PSS/E-33 với khảo sát phân tích ổn định hệ thống qua trường hợp tiêu cực trình vận hành Các kết phân tích thấy nhà máy Solar T.N24 tạo ảnh hưởng điện áp tần số đến hệ thống, nhiên dao động nằm phạm vi cho phép theo Thông tư số 25/2016/TT-BCT [9] Với mục tiêu nâng cao chất lượng điện năng, tăng độ ổn định hệ thống điện, viết xem xét giải pháp tích hợp vào hệ thống PV sử dụng thiết bị STATCOM BESS Để nâng cao ổn định tần số điện áp tích hợp nguồn điện mặt trời công suất lớn thiết bị BESS phù hợp so với STATCOM Do đó, viết kiến nghị ứng dụng thiết bị BESS cho việc hỗ trợ ổn định tần số điện áp cho hệ thống điện có kết nối NMĐ mặt trời cơng suất lớn Với đặc tính thiết bị BESS có khả nạp xả lượng cần thiết, BESS phù hợp với việc hỗ trợ nhà máy điện mặt trời công suất lớn hệ thống Ngồi ổn định, BESS hỗ trợ chạy phủ đỉnh (san đồ thị phụ tải) - giảm tổn thất truyền tải, tăng khả phát cơng suất (cung cấp dự phịng quay) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rakibuzzaman Shah, Nadarajah Mithulananthan, Arthit- Sode-Yome and Kwang.Y.Lee “Impact of Large-Scale PV Penetration on PowerSystem Oscillatory Stability” in Power and Energy Society General Meeting, 2010 IEEE [2] Daniel Noel, Felipe Sozinho, Dwight Wilson, Kenan Hatipoglu “Analysis of Large Scale Photovoltaic Power System Integration into the Existing Utility Grid Using PSAT” in SoutheastCon, 2016 IEEE [3] Quyết định số 428/QĐ-TTg Thủ tướng Chính phủ: Phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 224 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 [4] JAGow, C.D.Manning; “Development of a photovoltaic array model for use in powerelectronics simulation studies”, IEE Proc.·Electr Power Appl Vol 146, No, March 1999 [5] Jinhui Xue, Zhongdong Yin, Bingbing Wu, Jun Peng; “Design of PV Array Model Based On EMTDC/PSCAD” in Power and Energy Engineering Conference, 2009, Page(s): – [6] Trishan Esram, Patrick L Chapman;” Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques” in IEEE Transactions on Energy Conversion, VOL 22, NO 2, JUNE 2007 [7] Tae-Yeop Kim, Ho-Gyun Ahn; Seung-Kyu Park; Youn-Kyu Lee; “A Novel Maximum Power Point Tracking Control For Photovoltaic Power Systems Under Rapidly Changing Solar Radiation” in IEEE International Symposium on Industrial Electronics Proceedings, 2001, VOL.2, Pages(s):1011-1014 [8] PSS/E documentation, version 33.0.0 [9] Quyết định số 25/2016/TT – BCT ngày 30/11/2016 thông tư quy định hệ thống truyền tải điện  ... tăng độ ổn định hệ thống điện, viết xem xét giải pháp tích hợp vào hệ thống PV sử dụng thiết bị STATCOM BESS Để nâng cao ổn định tần số điện áp tích hợp nguồn điện mặt trời công suất lớn thiết bị... qua đánh giá dao động tần số điện áp qua phân tích ổn định hệ thống Hình 15: Sơ đồ đấu nối nhà máy điện mặt trời T.N24 giải pháp 2.5.1 Ảnh hưởng mây che gây ảnh hưởng đến cường độ xạ Hình 16:... BCT [9] Nhưng với mục tiêu nâng cao chất lượng điện năng, tăng độ ổn định hệ thống điện, báo xem xét giải pháp tích hợp vào hệ thống lưới điện đưa vào vận hành thiết bị STATCOM (công suất ±500 MVAr)