 |
| Nhà máy điện mặt trời CMX Renewable Energy Việt Nam có công suất 168 MW. |
Trong bối cảnh các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, động lực sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió đang ngày càng trở nên mạnh mẽ. Tỷ trọng các loại nguồn này đang tăng lên theo cấp số nhân qua các năm và nhận được sự quan tâm của chính phủ các quốc gia trên toàn thế giới, các nhà khoa học ở tất cả lĩnh vực liên quan. Nguồn pin mặt trời (PVG) với ưu thế không gây tiếng ồn, có thể lắp đặt ở mọi nơi kể cả trong khu dân cư đã giúp cho quá trình phổ biến loại nguồn này trong hệ thống điện nhanh hơn so với các nguồn khác.
Thiết thực và phù hợp thực tế
Trong việc sử dụng nguồn pin mặt trời (PVG), vấn đề điều khiển luồng công suất trong hệ thống khai thác PVG, bao gồm bài toán khai thác tối đa công suất của PVG và công suất trao đổi giữa các hệ thống có sự tham gia của PVG, là mục tiêu nghiên cứu của nhiều nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Hiện nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu về tìm điểm công suất cực đại (MPP). Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào giải quyết một cách trọn vẹn vấn đề khai thác tối đa công suất ở điều kiện vận hành bất kỳ dựa trên mô hình đầy đủ của PVG, qua đó chưa đánh giá được hiệu quả năng lượng thực sự đầy đủ, chính xác trong quá trình khai thác PVG. Nguyên nhân của điều này là trước đây các thiết bị đo công suất của bức xạ mặt trời (G), nhiệt độ của lớp tiếp giáp p-n (T) chưa thực sự phổ biến, chưa phù hợp với mỗi chủng loại PVG, giá thành cao. Đặc biệt, việc điều khiển luồng công suất trao đổi giữa các hệ thống có sự tham gia của PVG cũng chưa được làm rõ.
Công trình "Nghiên cứu phương pháp điều khiển luồng công suất trong mạng điện khai thác nguồn pin mặt trời" của Tiến sĩ Lê Tiên Phong (Đại học Kỹ thuật Công nghiệp- Đại học Thái Nguyên) và các cộng sự đã góp phần giải quyết những vấn đề đặt ra trong sử dụng năng lượng tái tạo, xây dựng phương pháp điều khiển luồng công suất phát ra từ PVG để khai thác tối đa năng lượng của nguồn này tại mọi thời điểm và luồng công suất trao đổi giữa các hệ thống có sự tham gia của loại nguồn này trong mạng điện một chiều.
Mục tiêu hướng tới của công trình nghiên cứu này là xây dựng mô hình toán học đầy đủ giúp xác định điểm công suất cực đại của nguồn pin mặt trời trong điều kiện cường độ bức xạ và nhiệt độ luôn thay đổi; xây dựng cấu trúc mạch lực và phương pháp điều khiển giúp khai thác công suất tối đa của nguồn pin mặt trời và điều tiết luồng công suất giữa các hệ thống có sự tham gia của loại nguồn này; cuối cùng là xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu.
Với việc hoàn thành nghiên cứu, công trình cho thấy những sáng tạo mới, trong đó đã hoàn thiện mô hình toán học cho nguồn pin mặt trời: áp dụng phương pháp Newton-Raphson cho bài toán thông số ẩn; đề xuất mới kỹ thuật tìm MPP dựa trên mô hình toán học của pin mặt trời; bổ sung hàm n (nhiệt độ của lớp tiếp giáp p-n) giúp nâng cao độ chính xác của mô hình toán học cho nguồn pin mặt trời. Công trình cũng xây dựng được phương pháp điều khiển khai thác công suất của nguồn pin mặt trời dựa trên các đề xuất mới giúp khai thác gần như hoàn toàn công suất của loại nguồn này trong điều kiện vận hành luôn có sự biến thiên của cường độ bức xạ và nhiệt độ với giả thiết các cell pin mặt trời luôn luôn đồng đều. Tiến sĩ Lê Tiên Phong và các cộng sự cũng tạo dựng được cấu trúc hệ thống và phương pháp điều khiển giúp điều tiết luồng công suất giữa các hệ thống cùng mô hình thực nghiệm đánh giá tính chính xác của các vấn đề đã xây dựng.
 |
| Nhà máy điện mặt trời Trung Nam Trà Vinh khai thác hiệu quả nhờ khả năng đấu nối và giải tỏa công suất trung tâm điện lực Duyên Hải vào trạm 500/220 kV. |
Theo đánh giá chung của các nhà khoa học, ý nghĩa khoa học chính của công trình "Nghiên cứu phương pháp điều khiển luồng công suất trong mạng điện khai thác nguồn pin mặt trời" là hoàn thiện được mô hình toán học cho một PV panel bất kỳ, xây dựng và giải quyết được bài toán xác định chính xác thông số tại điểm công suất cực đại (MPP) ở điều kiện vận hành thực tế, qua đó thiết lập biện pháp điều khiển giúp khai thác hoàn toàn công suất ở mọi điều kiện vận hành với các giá trị bất kỳ của công suất bức xạ mặt trời và nhiệt độ của lớp tiếp giáp p-n (G, T). Đồng thời chỉ ra cấu trúc mạch lực và cấu trúc điều khiển cần thực hiện để điều tiết luồng công suất huy động giữa hai hệ thống điện một chiều. Ý nghĩa thực tiễn của công trình là xây dựng mô hình toán đầy đủ của PVG bổ sung cho các tài liệu, sách, đồng thời làm cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực điều khiển khai thác loại nguồn này. Hơn nữa, đề tài cũng đem lại những kinh nghiệm cài đặt và điều khiển đối với hệ thống khai thác PVG.
Các nội dung nghiên cứu chính
Đối tượng nghiên cứu của công trình "Nghiên cứu phương pháp điều khiển luồng công suất trong mạng điện khai thác nguồn pin mặt trời" của Tiến sĩ Lê Tiên Phong và các cộng sự là hệ thống khai thác PVG làm từ chất bán dẫn trong mạng điện phân tán công suất vừa và nhỏ có khả năng điều tiết dòng công suất. Phạm vi nghiên cứu của đề án là các cell của PVG là đồng nhất và làm việc trong điều kiện giống nhau. Các hệ thống có thể tham gia điều chỉnh tỷ lệ huy động công suất là hệ thống điện một chiều; không giải quyết bài toán tối ưu luồng công suất.
Công trình bao gồm ba phần nội dung nghiên cứu chính. Trong đó, chương I là “Tổng quan về điều khiển dòng công suất trong hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời”; chương II là “Xây dựng phương pháp điều khiển luồng công suất trong hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời” và chương III “Kết quả thực nghiệm điều khiển luồng công suất trong mạng điện khai thác nguồn pin mặt trời”.
Trong phần nội dung đầu tiên (chương I), Tiến sĩ Lê Tiên Phong và các cộng sự đã giới thiệu tổng quan về vấn đề nghiên cứu thông qua cách tiếp cận khoa học dựa trên nguồn tài liệu cập nhật là các công bố khoa học trên thế giới liên quan đến hướng nghiên cứu của đề tài; phân tích và xác định những vấn đề cần nghiên cứu cho đề tài. Phần này đề cập chung về hệ thống điện và cấu trúc hệ thống điện khai thác nguồn pin mặt trờ có khả năng điều tiết luồng công suất; tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về điều khiển dòng công suất trong hệ thống khai thác PVG cùng một số vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng giải quyết.
Các phân tích của công trình cho thấy, các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào giải quyết các bài toán điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất (BBĐ) mà chưa có những nghiên cứu đi sâu vào bản chất của PVG. Đồng thời, các nghiên cứu này mới xây dựng được bài toán, mô hình hóa bài toán mà chưa xây dựng các thiết bị thực đáp ứng được khả năng điều tiết luồng công suất. Hiện tại, các nghiên cứu trên thế giới và trong nước đã tập trung vào một số hướng nghiên cứu khác nhau nhưng đều tập trung vào giải quyết bài toán khai thác tối ưu nguồn năng lượng phát ra từ PVG và điều tiết luồng công suất trong hệ thống cũng như giữa các hệ thống với nhau.
Các nghiên cứu tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng điện khai thác PVG: Thứ nhất, xây dựng phương pháp khai thác công suất cực đại của PVG tại mọi thời điểm. Phương pháp khai thác đề xuất này được dựa trên kỹ thuật tìm điểm công suất cực đại MPP mới, được gọi là kỹ thuật IB (iterative and bisectional technique) và mô hình toán học chính xác của PVG. Thứ hai, xây dựng cấu trúc mạch lực và cấu trúc điều khiển cho hệ thống có khả năng vận hành theo mô hình tách đảo. Luồng công suất từ mỗi đảo có thể được điều tiết theo phân bố công suất tự nhiên hoặc theo yêu cầu của người vận hành. Cuối cùng là xây dựng mô hình thực nghiệm cho hai bài toán trên trong cùng một hệ thống đồng nhất.
Phần nội dung thứ nhất của công trình cũng xác định, công suất tại điểm công suất cực đại (MPP) đã được nghiên cứu theo nhiều hướng với nhiều mục tiêu khác nhau, nhưng hầu hết các nghiên cứu vẫn chưa đánh giá được khả năng khai thác hoàn toàn công suất tại MPP do chưa có nghiên cứu nào xác định được chính xác thông số tại MPP (Vmpp, Impp, Pmpp) ở điều kiện vận hành bất kỳ tương ứng với các cặp giá trị khác nhau về công suất bức xạ mặt trời và nhiệt độ của lớp tiếp giáp p-n (G, T) và các cell của PVG hoàn toàn giống nhau do không xác định được đã không được xác định chính xác.
Để giải quyết các vấn đề nêu trên, hai phần nội dung chính tiếp theo của công trình đã tập trung vào bài toán khai thác công suất tại MPP cho PVG và bài toán điều tiết luồng công suất huy động giữa hai hệ thống trong mạng điện dòng điện một chiều (DC). Để thực hiện được hai bài toán này, các chương sẽ giải quyết các vấn đề: Xây dựng cấu trúc hệ thống khai thác PVG có khả năng điều tiết luồng công suất, trong đó có 2 đảo hệ thống điện 1 và hệ thống điện 2; Phân tích sự phân bố luồng công suất trong toàn hệ thống, trong đó hệ thống điện 1 đóng vai trò là nguồn cung cấp điện chính; Xây dựng giải pháp xác định các thông số ẩn cho một PV panel bất kỳ. Đồng thời xây dựng phương pháp nhận dạng chính xác MPP cho một PV panel ở điều kiện vận hành bất kỳ; Xây dựng cấu trúc điều khiển có khả năng đáp ứng được hai bài toán đã đặt ra; Kiểm chứng kết quả nghiên cứu trên mô hình thiết bị thực.
Theo đó, phần nội dung thứ hai của công trình (chương II) đề cập việc xây dựng mô hình hệ thống, phân tích dòng năng lượng chạy trong mỗi phần tử của hệ thống và luồng công suất trao đổi giữa các hệ thống khi có sự biến động của các thông số, đồng thời cũng xây dựng phương pháp điều khiển để đạt được các mục tiêu đã đặt ra. Tiến sĩ Lê Tiên Phong và các cộng sự đã xây dựng được cấu trúc hệ thống khai thác PVG nói chung và 1 PV panel nói riêng có khả năng điều tiết luồng công suất. Trong đó, hai bài toán được xây dựng trọng tâm là điều khiển bám điểm công suất cực đại và phân bổ tỷ lệ công suất cần huy động giữa hai nguồn dòng điện một chiều (DC). Với bài toán thứ nhất, phần nội dung chính thứ hai đã thực hiện xây dựng mô hình toán học đầy đủ cho một cấu trúc PVG bất kỳ. Mô hình toán đề xuất bổ sung hàm n (nhiệt độ của lớp tiếp giáp p-n) và kỹ thuật dò và chia đôi để xác định chính xác thông số tại điểm công suất cực đại MPP tương ứng với mọi giá trị của công suất bức xạ mặt trời và nhiệt độ của lớp tiếp giáp p-n (G và T).
Giải pháp sử dụng bộ điều khiển điện áp trung bình để bám điện áp đặt (là giá trị điện áp tính được tại MPP) được xây dựng để giải quyết bài toán khai thác tối đa công suất của một PVG. Với bài toán thứ 2, hai bộ biễn đổi điện tử công suất DC/DC được sử dụng để điều khiển tỷ lệ công suất huy động giữa các nguồn. Trong đó, một bộ biễn đổi điện tử công suất được điều khiển để giữ điện áp trên DCbus ở giá trị không đổi và một bộ biễn đổi điện tử công suất điều khiển bám tỷ lệ công suất đặt. Một bộ biến đổi điện tử công suất DC/AC (dòng diện một chiều/dòng điện xoay chiều) được sử dụng trong bài toán này để biến đổi dòng điện DC thành AC và cung cấp điện cho phụ tải xoay chiều. Phương pháp điều khiển này có thể được áp dụng cho các bài toán DSM cũng như thực hiện phân đảo và vận hành hệ thống theo mô hình bán cô lập.
Các kết quả nghiên cứu trong phần nội dung chính thứ hai về mô hình toán, cấu trúc hệ thống và cấu trúc điều khiển sẽ được kiểm chứng thông qua một mô hình thực nghiệm trong phần nội dung cuối cùng của công trình (chương III). Trong đó, trình bày một mô hình thực nghiệm minh chứng cho kết quả nghiên cứu và một số kết quả thực nghiệm trong thời gian thực hiện đề tài. Tiến sĩ Lê Tiên Phong và các cộng sự đã xây dựng thành công mô hình thiết bị thực kiểm chứng khả năng khai thác công suất cực đại của PVG và khả năng điều phối luồng công suất trong hệ thống có hai nguồn. Kết quả thực nghiệm của 3 lần lấy mẫu đầu tiên đã chứng tỏ phương pháp khai thác công suất sử dụng kỹ thuật IB và điều khiển điện áp sẽ giúp khai thác tối đa công suất của PVG. Sự đồng nhất của giá trị tính toán (Pmpp) và giá trị vận hành (ppv) chứng tỏ việc lựa chọn các thiết bị phần cứng là phù hợp. Đồng thời, lượng công suất thu được ở đầu ra BBĐ DC/DCpv luôn thấp hơn công suất phát ra từ PVG một lượng nhất định do có tổn thất công suất trong quá trình điều khiển và các phần tử dẫn điện. Kết quả thực nghiệm của 4 lần lấy mẫu tiếp theo đã so sánh được sự phân bố luồng công suất trong toàn hệ thống khi có và không có điều tiết theo yêu cầu. Khi không có điều tiết luồng công suất, sự phân bố công suất đã không giống với giá trị đặt của công suất trong khi lượng công suất huy động từ mỗi nguồn đã bám gần như chính xác với tỷ lệ đã đặt ra trong trường hợp có đặt chế độ điều tiết. Điều này đã cho thấy tính khả thi của phương pháp điều tiết luồng công suất trong toàn hệ thống thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất (BBĐ).
 |
| Lắp đặt điện mặt trời mái nhà. |
Hướng phát triển nghiên cứu
Với những nội dung nêu trên, công trình “Nghiên cứu phương pháp điều khiển luồng công suất trong mạng điện khai thác nguồn pin mặt trời" đã giải quyết được một số vấn đề: Xây dựng được cấu trúc mạch lực và cấu trúc điều khiển cho bài toán khai thác tối đa công suất của nguồn pin mặt trời PVG tại mỗi thời điểm và bài toán điều tiết tỷ lệ công suất huy động giữa hai nguồn dòng điện một chiều DC theo giá trị đặt. Mỗi bài toán đã được xây dựng chi tiết với các khối chính là đo lường, thu thập dữ liệu, điều khiển và hiển thị dữ liệu.
Các nghiên cứu cũng đã hoàn thiện mô hình toán học cho nguồn pin mặt trời PVG: xác định các thông số ẩn của PVG sử dụng phương pháp Newton-Raphson; xây dựng mới kỹ thuật IB giúp xác định thông số tại điểm công suất cực đại MPP theo mô hình toán học để đánh giá tính chính xác của các mô hình toán học trước đây của PVG; xây dựng mới hàm n của nhiệt độ của lớp tiếp giáp p-n (T) để cải thiện tính chính xác khi xác định MPP trong các điều kiện vận hành khác nhau khi công suất bức xạ mặt trời và nhiệt độ của lớp tiếp giáp p-n (G và T) biến thiên. Đồng thời, xây dựng được hệ thống có khả năng vận hành theo mô hình bán cô lập, trong đó thực hiện phân đảo Hệ thống điện và điều tiết công suất huy động giữa các hệ thống. Cấu trúc này cho phép điều chỉnh tỷ lệ công suất huy động giữa các hệ thống, qua đó cho phép vận hành theo các chương trình DSM và giúp giảm thiểu lượng điện năng cần huy động từ lưới điện.
Công trình nghiên cứu cũng thiết kế được mô hình thực nghiệm cho các bài toán đã đề xuất. Các kết quả thực nghiệm được lấy trong điều kiện vận hành thực tế tại Thái Nguyên. Tất các lần lẫy mẫu thực nghiệm đều minh chứng cho tính đúng đắn của các nội dung đã xây dựng. Mô hình đã có những đóng góp quan trọng, giúp có những đánh giá về mô hình toán học và kinh nghiệm cài đặt cho các thiết bị thực tế về hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời PVG.
Qua công trình, Tiến sĩ Lê Tiên Phong và các cộng sự kiến nghị có thể tiếp tục được phát triển các nghiên cứu theo hướng như sau: Phát triển khai thác công suất lớn nhất của PVG trong điều kiện vận hành các cell không đồng nhất: hư hỏng một cell hay bị che khuất một phần; Phát triển có sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo khác như nguồn điện gió, thủy điện nhỏ hay các máy phát cỡ nhỏ sử dụng năng lượng hóa thạch. Khi có sự tham gia của các nguồn này, mỗi hệ thống sẽ tăng thêm tính chủ động về nguồn cung cấp cho các phụ tải trước khi huy động công suất từ hệ thống khác. Đồng thời, luồng công suất trong các hệ thống này được phân bổ tối ưu theo các yêu cầu của các chương trình DSM hoặc EH nhằm đạt được các hàm mục tiêu theo yêu cầu. Các nhà khoa học tham gia công trình cũng đề cập hướng phát triển điều tiết tỷ lệ công suất giữa các hệ thống điện trong mạng điện xoay chiều AC. Trường hợp này, tỷ lệ công suất huy động giữa các hệ thống điện được điều tiết thông qua các bộ nghịch lưu.
Có thể nói, công trình “Nghiên cứu phương pháp điều khiển luồng công suất trong mạng điện khai thác nguồn pin mặt trời" có giá trị khoa học thực tế và có thể ứng dụng, hiện thực hoá trong điều kiện nước ta khi hoàn thiện mô hình toán học cho nguồn pin mặt trời và phương pháp điều khiển khai thác tối đa công suất của loại nguồn này khi cường độ bức xạ và nhiệt độ luôn biến thiên. Đồng thời tạo dựng được một mô hình hệ thống có khả năng điều tiết luồng công suất trong mạng điện một chiều./.
