Chiến lược điều khiển linh hoạt hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp STATCOM: Giải pháp cải thiện điện áp lưới điện phân phối

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 127

MỘT CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN LINH HOẠT HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI KẾT HỢP STATCOM GIÚP CẢI THIỆN ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI

A FLEXIBLE CONTROL STRATEGY FOR STATCOM SOLAR SYSTEMS HELP

IMPROVE DISTRIBUTION GRID VOLTAGE

Nguyễn Minh Quân1,*, Lê Viết Sơn1, Vũ Minh Hiếu1, Nguyễn Văn Khiêm2,

Nguyễn Phương Nam2, Nguyễn Văn Hùng2, Phùng Thị Vân3

1Lớp Điện 01 - K16, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

2Lớp Điện 08 - K17, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

3Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

*Email: quanHaUI8@gmail.com

TÓM TẮT

Hệ thống điện mặt trời nối lưới điện phân phối giúp cải thiện phân bố công suất, đặc biệt là công suất tác dụng. Tuy

nhiên, do đặc thù tự nhiên, các thành phần quan trọng như bộ biến đổi của hệ thống chưa được tận dụng vào thời gian mức

bức xạ thấp. Kết hợp hệ thống điện mặt trời với hệ thống bù tĩnh STATCOM là một trong những phương thức giúp vận

hành tối ưu bộ biến đổi công suất. Bài báo đề xuất một chiến lược điều khiển linh hoạt hệ thống PV-STATCOM qua đó

phân bổ công suất phản kháng giúp cải thiện điện áp lưới điện phân phối. Bài báo đã tiến hành mô phỏng và phân tích đáp

ứng sự dao động điện áp trên công cụ Matlab/Simulink.

Từ khóa: PV, STATCOM, Bộ biến đổi, Bộ điều khiển điện áp.

ABSTRACT

The PV solar systems connected to the distribution grid help improve power distribution, especially active power.

However, because of its natural conditions, important components such as the system's converter have not been efficiently

utilized during periods of low radiation levels. Integrating PV solar systems with STATCOM is one of the methods to

optimize power converter operation. This paper proposes a flexible control strategy for the PV-STATCOM system, which

can allocate reactive power to enhance voltage in the distribution grid. This paper conducted simulations and analyses of

voltage oscillation responses using the Matlab/Simulink tool.

Key words: PV, STATCOM, Converter, Voltage Controller.

1. GIỚI THIỆU

Năng lượng tái tạo đang nhận được sự quan tâm chưa

từng có, nhu cầu về năng lượng sạch đã thu hút sự chú ý

đến nguồn năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời.

Tuy nhiên, nguồn điện năng từ mặt trời đang chịu sức ép

ngày càng lớn để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng từ hệ

thống phụ tải dân dụng hay phụ tải công nghiệp. Từ đó hệ

thống điện mặt trời nối lưới điện phân phối đã trở thành một

giải pháp quan trọng để cải thiện phân bố công suất và đã

đạt được những tiến bộ đáng kể, nhưng hệ thống này vẫn

gặp phải những thách thức.

Một trong các thách thức đó là làm thế nào để tối đa hóa

hiệu suất của các thành phần quan trọng như bộ biến đổi

công suất trong điều kiện bức xạ yếu. Trong điều kiện mức

bức xạ thấp, hệ thống điện mặt trời nối lưới thường hoạt

động thiếu ổn định và giảm hiệu suất làm việc của các thành

phần trong hệ thống như bộ biến đổi công suất. Một giải

pháp tiềm năng là kết hợp hệ thống điện mặt trời với hệ

thống bù tĩnh STATCOM, một công nghệ hiện đại đáng chú

ý trong lĩnh vực điện lực [1].

Đã có rất nhiều nghiên cứu về hệ thống PV-STATCOM

để tối ưu hệ thống năng lượng mặt trời PV, điều khiển điện

áp và cải thiện hệ số công suất [2], [3], [4]. Dựa vào những

bài nghiên cứu vừa trình bày, nhóm tiếp tục nghiên cứu và

đưa ra một chiến lược điều khiển hệ thống PV-STATCOM

đơn giản và thực tế hơn nhằm mục tiêu tối ưu hóa việc sử

dụng bộ biến đổi công suất giúp cải thiện hiệu suất của hệ

thống điện mặt trời và giúp cải thiện chất lượng điện áp lưới

điện phân phối, đồng thời đảm bảo lưới điện ổn định. Bài

nghiên cứu không chỉ mang lại giá trị lý thuyết mà còn cung

cấp những hướng tiếp cận thực tế giúp giải quyết những vấn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 128đề về bộ điều khiển hoạt động với hiệu suất thấp, gây lãng

phí nguồn lực.

2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG PV-STATCOM

Hệ thống PV-STATCOM góp phần ổn định hệ thống

điện và cải thiện hiệu suất hoạt động của bộ điều khiển công

suất [5]. Để có thể đánh giá chính xác hiệu quả của hệ thống,

nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời

nối lưới kết hợp bộ bù công suất phản kháng STATCOM

được mô phỏng với giá trị năng lượng bức xạ mặt trời được

thể hiện trong hình 1. Hệ thống PV-STATCOM cũng được

mô phỏng theo thực tế trong suốt một ngày 24 giờ tương

ứng với 24 giây trong bài mô phỏng.

Hình 1. Bức xạ năng lượng mặt trời

Sơ đồ khối

Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống

Trong đó:

+ PV: Các tấm pin năng lượng mặt trời, chuyển đổi

quang năng thành điện năng

+ BOOST: Bộ tăng áp DC/DC, tăng và ổn định điện áp

một chiều từ PV

+ STATCOM: Bộ bù công suất phản kháng, cung cấp

công suất phản kháng cho phụ tải

+ VSC: Bộ biến đổi công suất, hoạt động như một biến

tần để biến đổi từ điện áp một chiều thành điện áp xoay

chiều ba pha

Năng lượng bức xạ mặt trời được chuyển đổi nhờ các

tấm PV từ quang năng thành điện năng, được đưa qua bộ

tăng áp DC/DC, cùng bộ bù công suất phản kháng đồng bộ

tĩnh đến bộ điện tử công suất VSC giúp kiểm soát chất

lượng điện năng, cuối cùng qua mạch lọc giúp cải thiện chất

lượng dòng điện, điện áp và được truyền tải tới phụ tải và

lưới điện phân phối.

Mô hình mạch tăng áp một chiều DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC là một mạch điện tử hoặc thiết bị cơ

điện được dùng để chuyển đổi nguồn điện một chiều từ mức

điện áp này sang mức điện áp khác. Sơ đồ chung của mạch

tăng áp được trình bày như hình 3.

Hình 3. Sơ đồ của mạch tăng áp một chiều

Mạch tăng áp hoạt động ở hai chế độ là chế độ dẫn liên

tục và chế độ dẫn không liên tục [6]. Tại chế độ dẫn liên

tục, điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào, thể hiện trong

công thức:

out in

V V



(1)

Phương trình thể hiện điện áp tại chế độ dẫn không liên

tục:

 

in in out

V kT V V T   

(2)

out in

V V

 



(3)

Trong đó:

+ Vout là điện áp đầu ra

+ Vin là điện áp đầu vào

+ k là chu kỳ làm việc

+ T là thời gian chuyển mạch

+ Δ1 là khoảng thời gian điện áp cuộn cảm âm.

Mô hình bám điểm công suất cực đại

Theo dõi điểm công suất cực đại MPPT là chức năng

không thể thiếu trong hệ thống PV.

Kỹ thuật MPPT là kỹ thuật phổ biến và đã được trình

bày một cách tổng quan [7].

Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống MPPT

Phương pháp P&O được sử dụng trong phạm vi báo cáo

là phương pháp phổ biến. Phương pháp P&O dựa trên tính

đường đặc tính P-V được trình bày ở hình 5 nhằm tìm ra

điểm công suất cực đại dựa trên dấu của đạo hàm dP/dV và

điều chỉnh tín hiệu tham chiếu VDCref [8].

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 129

Hình 5. Đường cong đặc tính PV hiển thị điểm MPPT

Mô hình bộ điều khiển phía lưới VSC

Đa phần các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời

hay điện gió được kết nối với lưới điện thông qua bộ biến

đổi DC-AC Converter. Bộ điều khiển phía lưới được áp

dụng nhằm đảm bảo chất lượng điện áp và tần số hệ thống.

Bộ điều khiển sử dụng giá trị công suất tác dụng nút

PCC là P, công suất tác dụng đặt Pref, công suất phản kháng

nút PCC là Q, công suất phản kháng đặt là Qref , điện áp tại

điểm PCC là Vpcc của hệ thống làm tín hiệu điều khiển.

Bộ điều khiển được hình thành dựa trên vòng lặp điều

khiển điện áp ở phía ngoài nhằm tạo tín hiệu Idref để thực

hiện vòng lặp điều khiển dòng điện phía trong được thể hiện

trong hình 6, cuối cùng tín hiệu được đưa vào bộ điều khiển

phía lưới giúp hệ thống hoạt động một cách chính xác, đáp

ứng yêu cầu của hệ thống [9, 10].

Để thuận lợi cho quá trình xây dựng các mô hình điều

khiển, tín hiệu được chuyển đổi từ hệ trục tọa độ abc sang

hệ trục tọa độ dq

Hình 6. Sơ đồ điều khiển

Mô hình bộ điều khiển hoạt động của hệ thống PV-

STATCOM

Hình 7. Lưu đồ thuật toán

Nhằm mục tiêu cải thiện phân bố công suất, tận dụng

khả năng hoạt động của bộ biến đổi công suất, cải thiện hiệu

suất làm việc của hệ thống và ngắt hệ thống pin năng lượng

mặt trời vào ban đêm giúp tăng khả năng làm việc tin cậy

của hệ thống, thuật toán ở hình 7 được trình bày nhằm thể

hiện cách điều khiển hoạt động của hệ thống.

Tham số đầu vào được sử dụng nhằm mục đích điều

khiển hệ thống là công suất tác dụng PV, từ đó đưa ra các

chế độ hoạt động của hệ thống PV-STATCOM.

Điều kiện của thuật toán là so sánh giá trị công suất tác

dụng PV đo được với giá trị công suất của tấm pin khi năng

lượng bức xạ mặt trời giảm thấp là 400W/m2 ứng với giá trị

công suất tác dụng được phát ra bởi hệ thống PV trong bài

mô phỏng là 40kW.

+ Trường hợp thứ nhất là khi năng lượng bức xạ mặt trời

Irr (Irradiance) giảm thấp dẫn tới công suất tác dụng tấm

pin mặt trời Ppv giảm thấp, như khi vào ban đêm, năng

lượng bức xạ mặt trời giảm thấp. Thuật toán điều khiển sẽ

đóng STATCOM để bù công suất phản kháng cho phụ tải

và cải thiện chất lượng điện áp tại điểm PCC.

+ Trường hợp thứ hai, khi bức xạ mặt trời đạt giá trị lớn

(PPV>40kW), và ổn định, thuật toán sẽ ngắt STATCOM ra

khỏi hệ thống và phát toàn bộ công suất tác dụng từ PV với

toàn bộ công truyền tải của VSC.

+ Trường hợp thứ ba, bức xạ mặt trời giảm thấp, PV phát

công suất tác dụng với giá trị thấp (0<PPV<40kW), thuật

toán đề xuất sẽ điều khiển STATCOM phát công suất phản

kháng và PV phát công suất tác dụng.

Thuật toán điều khiển của bài mô phỏng đáp ứng tốt cho

cả ba trường hợp và đều hướng tới mục tiêu giảm tổn hao

điện áp truyền tải của lưới điện phân phối. Thuật toán đơn

giản, không yêu cầu tính toán cao, tham số đầu vào dễ dàng

xác định giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy.

Thuật toán điều khiển linh hoạt hệ thống PV-

STACOM

Hình 8. Thuật toán điều khiển linh hoạt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 130Thuật toán nhằm đưa ra chiến lược điều khiển linh hoạt

của hệ thống PV-STATCOM.

Thông số công suất tác dụng của tấm pin năng lượng

mặt trời được so sánh với các giá trị công suất nhận được

trong khoảng thời gian khác nhau, từ đó đưa ra các tín hiệu

Idref và Iqref khác nhau để điều khiển hệ thống hoạt động phù

hợp với các điều kiện thực tế.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Nhằm đánh giá tính hiệu quả của hệ thống PV-

STATCOM trong từng chế độ vận hành của bài nghiên cứu.

Mô hình hệ thống được nghiên cứu thể hiện trong hình 9

được xây dựng bởi phần mềm Matlab/Simulink.

Hình 9. Sơ đồ hệ thống

Nhằm đánh giá hiệu quả của hệ thống PV-STATCOM

hoạt động trong các chế độ vận hành. Vào ban đêm hay

trong những điều kiện khi mà năng lượng bức xạ mặt trời

không còn phù hợp để pin năng lượng mặt trời hoạt động,

hệ thống sẽ ngắt pin năng lượng mặt trời khỏi hệ thống và

STATCOM sẽ hoạt động độc lập phát công suất phản kháng

vào lưới điện.

Còn vào ban ngày hay vào thời điểm năng lượng bức xạ

mặt trời đủ lớn để đảm bảo hiệu suất hoạt động của PV, hệ

thống sẽ hoạt động phát công suất từ PV và STATCOM

Hình 10. Công suất phản kháng STATCOM

Tại thời điểm bắt đầu đến thời điểm 9 giờ, bộ biến đổi

công suất VSC truyền tải công suất phản kháng do

STATCOM phát ra do bức xạ mặt trời còn thấp.

Tại thời điểm 9 giờ đến thời điểm 15 giờ, STATCOM

không hoạt động do công suất phát công suất tác dụng của

PV lớn, bộ biến đổi công suất hoạt động tối đa công suất để

truyền tải công suất tác dụng của PV, phụ tải tiêu thụ công

suất tác dụng từ PV và tiêu thụ công suất phản kháng từ

phía lưới điện. Công suất phản kháng hệ thống PV-

STATCOM phát ra bằng 0 thể hiện trong hình 10.

Tại thời điểm 15 giờ đến thời điểm 24 giờ, bộ biến đổi

công suất VSC truyền tải công suất phản kháng do

STATCOM phát ra do bức xạ mặt trời giảm thấp.

Từ kết quả mô phỏng trình bày trong Hình 8, công suất

phản kháng STATCOM phát ra phù hợp với các chế độ vận

hành mà bài nghiên cứu đã đặt ra.

Hình 11. Tần số

Sự đáp ứng của tần số thể hiện trong Hình 10 cho thấy

hệ thống mô phỏng hoạt động phù hợp với yêu cầu bài

nghiên cứu đặt ra. Điều này đã kiểm chứng độ tin cậy của

bộ điều khiển phía lưới kết hợp VSC

Hình 12. Công suất tiêu thụ phụ tải

Công suất truyền tải tới phụ tải đúng với thông số phụ

tải của bài nghiên cứu. Tại thời điểm 9 giờ, khi STATCOM

không hoạt động, công suất truyền tải tới phụ tải thiếu hụt

công suất tác dụng là 10kW do tổn hao công suất tác dụng

trên đường dây truyền tải từ lưới điện đến phụ tải được thể

hiện trong hình 12.

Hình 13. Công suất phản kháng phụ tải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 131Cùng với đó là hoạt động của STATCOM trong ngày,

công suất phản kháng phát ra là 112kVAr từ thời điểm 0 giờ

đến 6 giờ và từ 15 giờ đến 24 giờ phù hợp với yêu cầu giá

trị công suất phản kháng của phụ tải; đến thời điểm 9 giờ,

do công tác tác dụng PV lớn, VSC truyền tải toàn bộ công

suất tác dụng PV nên STATCOM ngắt ra khỏi hệ thống. Do

sự tổn hao trên đường dây, công suất phản kháng tới phụ tải

bị thiếu hụt 8kVAr được thể hiện trong hình 13.

Hình 14. Công suất tác dụng PV

Hình 15. Công suất phản kháng

Công suất tác dụng của PV trong bài nghiên cứu được

thể hiện trong hình 14 phát công suất sao cho phù hợp với

diễn biến thực tế, hình 15 thể hiện hoạt động của hệ thống

PV-STATCOM trong việc phát công suất phản kháng, khi

năng lượng bức xạ mặt trời giảm thấp bằng 0W/m2 là từ thời

điểm bắt đầu tới thời điểm 6 giờ và từ thời điểm 18 giờ đến

24 giờ, PV không truyền tải công suất tác dụng và bộ biến

tần hoạt động làm nhiệm vụ truyền tải toàn bộ công suất

phản kháng từ STATCOM được điều khiển bởi bộ điều

khiển hoạt động của hệ thống PV-STATCOM đã trình bày

ở 2.4.

Hình 16. Điện áp tại điểm PCC

Từ kết quả mô phỏng thể hiện trong hình 16, nhận thấy

chất lượng điện áp tại điểm PCC khi không sử dụng

STATCOM từ thời điểm bắt đầu đến thời điểm 6 giờ và từ

thời điểm 15 giờ đến thời điểm 24 giờ có tổn hao điện áp

lớn, không đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật.

Nhận thấy tổn hao điện áp lớn gây ảnh hưởng trực tiếp

đến hệ thống lưới điện phân phối. Điện áp tại điểm PCC khi

hệ thống sử dụng STATCOM ổn định, thể hiện khả năng

cải thiện chất lượng điện áp lưới điện, đảm bảo khả năng

làm việc tin cậy của hệ thống và giảm tổn thất điện năng

trên lưới điện phân phối.

4. KẾT LUẬN

Từ những kết quả đã trình bày, có thể nhận thấy tính

hiệu quả của việc sử dụng hệ thống PV-STATCOM cải

thiện phân bổ công suất tác dụng và công suất phản kháng

phù hợp với đặc thù thực tế, hạn chế sự phụ thuộc công suất

phản kháng từ lưới điện đã giúp cải thiện chất lượng điện

áp, cung cấp công suất phản kháng tới các phụ tải đặc biệt

là các phụ tải trong công nghiệp giúp giảm bớt chi phí khi

vận hành khi các thiết bị không đạt chỉ tiêu kĩ thuật về hệ

số công suất.

Bài nghiên cứu đã đề xuất một chiến lược vận hành tối

ưu bộ biến đổi công suất trong một ngày với những chế độ

vận hành khác nhau có sự tương đồng với điều kiện trong

thực tế, tăng khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu chưa xét đến

trường hợp lưới điện xảy ra sự cố gây mất ổn định hệ thống.

Do vậy, mô hình nghiên cứu sẽ yêu cầu những bộ điều khiển

có quy mô lớn hơn nhằm ổn định hệ thống một cách nhanh

chóng khi gặp sự cố. Những nghiên cứu này sẽ được chúng

tôi công bố ở những bài báo tiếp theo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. R. K. Varma and M. Akbari, 2018. A Novel Reactive Power based Frequency Control by PV-STATCOMs during

Day and Night, IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), IEEE, Aug, pp. 1–5.

Một chiến lược điều khiển linh hoạt hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp statcom giúp cải thiện điện áp lưới điện phân phối

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi