TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 148
NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LINH HOẠT
CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
RESEARCH ON FLEXIBLE OPERATION MODE FOR SOLAR POWER SYSTEM
Phạm Văn Huy1,*, Nguyễn Hồng Sơn2,
Vũ Đức Thiện1, Nguyễn Văn Hùng3
1Lớp Điện 01- K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp Điện 03- K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: phamhuy16616@gmail.com
TÓM TẮT
Xu hướng hình thành các lưới điện nhỏ dựa trên hệ thống điện mặt trời ngày càng phổ biến nhằm tăng độ tin cậy cung
cấp điện cho toàn hệ thống. Trong chế độ độc lập, hệ thống điện mặt trời thường được lai ghép với bộ lưu điện để đảm bảo
vai trò giữ lưới, nhưng điều này làm giảm khả năng phát công suất cực đại. Đồng thời, sự phát triển mạnh mẽ của các
nguồn phân tán trong lưới điện yêu cầu cải thiện kết nối kinh tế và kỹ thuật. Khi xảy ra sự cố, các nguồn phân tán phải
hoạt động giữ lưới, gây giảm hiệu suất và tổn thất kinh tế. Bài báo đề xuất sử dụng bộ biến đổi công suất linh hoạt (FPC)
kết hợp với bộ lưu trữ năng lượng (ESS) nhằm tối ưu hóa công suất và duy trì ổn định hệ thống. Giải pháp này giúp hệ
thống điện mặt trời đạt công suất phát cực đại và đảm bảo tần số, điện áp ổn định trong chế độ độc lập. Kết quả mô phỏng
bằng Matlab/Simulink cho thấy cấu hình đề xuất cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống trong nhiều điều kiện khác
nhau.
Từ khóa: Vận hành linh hoạt, điện mặt trời, phân bổ công suất, bộ lưu trữ.
ABSTRACT
The trend of developing microgrids based on solar power systems is becoming increasingly popular to enhance the
overall reliability of electricity supply. In islanded mode, solar power systems are often coupled with energy storage
systems to maintain grid stability, but this coupling reduces the ability to achieve maximum power output. Simultaneously,
the rapid growth of distributed energy resources within the grid necessitates improvements in both economic and technical
connections. During faults, distributed resources must operate to maintain grid stability, which decreases efficiency and
incurs economic losses. This paper proposes the use of a flexible power converter (FPC) in conjunction with an energy
storage system (ESS) to optimize power output and maintain system stability. This solution enables solar power systems
to achieve maximum power output and ensures stable frequency and voltage in islanded mode. Simulation results using
Matlab/Simulink demonstrate that the proposed configuration enhances system efficiency and stability under various
operating conditions.
Keywords: Flexible Operation, Solar Power, Power Allocation, Energy Storage.
1. GIỚI THIỆU
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta tiêu thụ một lượng
năng lượng khổng lồ, chủ yếu từ tài nguyên thiên nhiên.
Đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, do sự gia tăng
dân số, đòi hỏi phải cung cấp năng lượng bền vững. Nguồn
năng lượng chính từ nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt,
như dự báo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, với trữ lượng
dầu mỏ, than đá, và khí tự nhiên ngày càng giảm. Việc sử
dụng các nguồn năng lượng truyền thống còn gây ra ô
nhiễm nghiêm trọng và các vấn đề môi trường khác. Năng
lượng tái tạo, như gió, mặt trời, và sinh học, được coi là giải
pháp quan trọng cho tương lai và cần được phát triển hơn
nữa. Hệ thống năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các quốc gia
nhiệt đới và có bờ biển dài như Việt Nam, có tiềm năng lớn
trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng tương lai [1, 2].
Cường độ bức xạ mặt trời ở Việt Nam dao động từ 897
đến 2108 kWh/m²/năm, tương đương 2,46 đến 5,77
kWh/m²/ngày (MOIT & AECID, 2015). Cường độ bức xạ
cao nhất tập trung ở các tỉnh Tây Nguyên và Nam Bộ như
Đắk Lắk, Gia Lai, Nha Trang, Ninh Thuận, Bình Thuận,
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 149Tây Ninh và Bình Phước. Tuy nhiên, mặc dù có tiềm năng
lớn, năng lượng mặt trời đang gặp phải các rào cản kỹ thuật
và những thách thức khác. Rào cản kỹ thuật là một thách
thức lớn đối với việc sử dụng pin mặt trời hiện nay, liên
quan đến khả năng lưu trữ và ổn định hệ thống điện khi vận
hành. Thiếu hụt quán tính là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp
đến độ ổn định của hệ thống. Cụ thể, các nguồn phân tán
phổ biến như điện mặt trời và điện gió thường được nối với
lưới điện qua bộ biến đổi công suất. Trong chế độ nối lưới,
việc thiếu hụt quán tính chưa gây ảnh hưởng lớn do sự hỗ
trợ của lưới điện chính. Tuy nhiên, khi ở chế độ độc lập,
thiếu hụt quán tính gây ra nhiều vấn đề lớn, đặc biệt là dao
động biên độ tần số lưới khi có sự mất cân bằng công suất
tải, lớn hơn so với trường hợp các nguồn phân tán có quán
tính như máy phát đồng bộ.
Hình 1. Bản đồ tổng bức xạ trung bình ngày (GIH) tại Việt Nam
2. CÁC CẤU HÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG
2.1. Cấu hình vận hành với toàn bộ hệ thống PV hoạt
động độc lập
Với hệ thống gồm nhiều hệ thống PV hoạt động độc lập
có rất nhiều cách kết nối để vận hành trong lưới điện. Dưới
đây nhóm tác giả sẽ đưa ra một số cấu hình kết nối phổ biến.
Hình 2. Cấu hình 1. PV nối chung DC bus với một Inverter trung
tâm
Trong cấu hình nối hệ thống PV như hình 2 ta có thể
thấy với cấu hình này cho ta cách kết nối đơn giản, tiết kiệm
chi phí vì sẽ chỉ cần ba Converter để bám điểm công suất
cực đại và giúp ổn định điện áp nối vào DC bus và một
Inverter chính làm nhiệm vụ biến đổi nguồn điện một chiều
DC thành dòng điện xoay chiều ba pha cấp cho phụ tải và
nối lên lưới điện [3].
Với cấu hình 1 hệ thống hoạt động tốt với điều kiện các
hệ thống PV1, PV2, PV3 có cùng số lượng tấm mắc song
song và các chuỗi nối tiếp và điểm làm việc MPP của các
hệ thống PV này là giống nhau. Điều này cũng gây khó khăn
khi diện tích lắp đặt của các khu vực khác nhau nên yêu cầu
có cùng số lượng và cùng thông số vận hành là yếu tố có
thể không thể đạt được.
Ngoài ra với các khu vực khác nhau, với điều kiện bức
xạ, nhiệt độ khác nhau thì điểm làm việc cho công suất cực
đại cũng khác nhau do vậy khi một trong những các hệ
thống PV bị che khuất có thể gây ra hệ thống PV này hoạt
động không phải điểm cho công suất cực đại do khi nối
chung DC bus thì điện áp các đầu cực của PV sẽ được duy
trì ở mức điện áp chung của bus nên các hệ thống PV này
sẽ cho công suất không phải tối đa nên gây thiệt hại về kinh
tế cũng như tuổi thọ của vệ thống pin mặt trời.
Để có thể khắc phục nhược điểm của cấu hình 1, cấu
hình 2 ở hình 3 đã được sử dụng rộng rãi và linh hoạt hơn.
Với đặc điểm phù hợp với nhiều hệ thống PV hoạt động độc
lập, số lượng, công suất không giới hạn bởi vì các hệ thống
này hoạt động độc lập, có một bộ biến đổi tăng áp và bộ
chuyển đổi điện một chiều sang xoay chiều ba pha riêng nên
khi kết nối vào bus AC thì rất dễ dàng.
Hình 3. Cấu hình 2. PV nối chung AC bus
Cũng như với cấu hình tại hình 3 khi có thay đổi bất
thường các điều kiện tự nhiên của từng khu vực thì sẽ không
anh hưởng tới các hệ thống PV khác, trong mọi thời điểm
đều cho công suất tối đa. Với hệ thống này yêu cầu về chi
phí lắp đặt cũng cao hơn so với cấu hình 1 tại hình 2 nhưng
độ ổn định lưới điện cũng cao hơn và vẫn đảm bảo chi phí
vận hành là thấp nhất. Với cấu hình này có nhược điểm là
khi ngắt lưới lớn hệ thống PV vẫn hoạt động với công suất
tối đa nên yêu cầu phụ tải có lượng công suất tương ứng khi
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 150hoạt động ở chế độ độc lập tách lưới. Khi có hiện tượng che
khất một phần xảy ra thì hệ thống sẽ thiếu hụt công suất,
không có lượng công suất bù lại lượng công suất bị thiếu
hụt.
2.2. Cấu hình vận hành hệ thống PV kết hợp với bộ lưu
trữ
Hình 4. Cấu hình 3. Hệ thống PV lai ghép Bat với DC bus
Trong hình 4 bệ thống điện mặt trời được lai ghép với
bộ lưu trữ, việc này đã khắc phục được nhược điểm của cấu
hình 1 và 2 trên hình 2 và hình 3 là khi ngắt lưới lớn đối với
thời điểm có công suất dư thừa hệ thống lưu trữ sẽ làm
nhiệm vụ dự trữ năng lượng để lưới điện không bị quá tải
công suất và khi các hệ thống điện mặt trời không đủ công
suất cấp cho phụ tải hệ thống lưu trữ sẽ đưa công suất dự
trữ giải phóng lên lưới điện bằng bộ biến đổi DC/DC hai
chiều để cung cấp đủ lượng công suất thiếu hụt giúp tăng
tính ổn định cung cấp điện và tối ưu được chi phí vận hành
[4, 5].
Tuy nhiên với cấu hình này các hệ thống PV sẽ có nhược
điểm điện áp DC bus sẽ ảnh hưởng tới điểm làm việc cực
đại của hệ thống pin mặt trời cho nên tất cả các hệ thống PV
sẽ không vận hành đúng với công suất tối đa mà tất cả chỉ
làm việc tại điểm phát công suất ứng với điện áp tại bus DC
và chi phí đầu tư bộ lưu trữ có đủ dung lượng lưu trữ thì chi
phí khá lớn [6].
Chúng ta có thể thấy tại hình 5 cho ta được cấu hình có
độ ổn định cung cấp điện rất cao do các hệ thống điện mặt
trời được lai ghép riêng một bộ lưu trữ, một bộ nghịch lưu
hoạt động đọc lập so với các hệ thống PV khác. Điều này
cho phép trong mọi thời điểm hệ thống PV đều phát được
công suất tối đa kể cả khi vận hành nối lưới hay độc lập tách
lưới. Các hệ thống PV này có bộ lưu trữ riêng nên chỉ những
hệ thống nào có lượng công suất dư thừa thì được thực hiện
lưu trữ không ảnh hưởng tới các hệ thống PV khác trong
lưới mà khi lượng công suất tiêu thụ tải tăng cao, lượng
công suất phát ra của hệ thống PV không đủ thì các hệ thống
lưu trữ đều được phép xả lượng công suất lưu trữ để bù lại
lượng công suất thiếu hụt.
Hình 5. Cấu hình 4. Hệ thống PV lai ghép BAT nối AC bus
Nhưng đi cùng với sự ổn định thì chi phí để thực hiện
lắp đặt và vận hành được hệ thống này rất cao do trong hệ
thống được trang bị lên tới 9 bộ biến đổi công suất, trong
đó có 3 bộ biến đổi DC/DC một chiều và 3 bộ biến đổi
DC/DC hai chiều cho bộ lưu trữ và cùng với 3 bộ nghịch
lưu xoay chiều, có 3 hệ thống lưu trữ BAT, trước khi đưa
công suất tới tải tiêu thụ.
Để khắc phục nhược điểm về chi phí lắp đặt vận hành
thì cấu hình 5 tại hình 6 là cấu hình giúp tối ưu được chi phí
lắp đặt mà vẫn đảm bảo lượng công suất phát ra là tối ưu
nhất.
Hình 6. Cấu hình 5. Hệ thống PV hoạt động độc lập với một phần
lai ghép BAT
Với cấu hình tại hình 6 đây là cấu hình giúp vận hành
tối ưu nhất do khi nối lưới điện lớn các hệ thống PV đều
vận hành ở điểm công suất tối đa để cung cấp cho phụ tải
và lượng công suất dư thừa sẽ được đẩy lên lưới để truyền
tải đến những nơi khác, khi vận hành độc lập tách lưới chỉ
có một hệ thống lưu trữ được sử dụng mà vẫn đảm bảo
lượng công suất phát ra ở hai hệ thống PV1 và PV2 là cực
đại. Vì khí đó chỉ có hệ thống PV1 hoạt động ở chế độ giữ
lưới, lượng công suất phát ra sẽ được điều chỉnh cho lượng
phụ tải tiêu thụ tránh những sự cố xảy ra trên lưới điện.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 151Với cấu hình này hệ thống lưu trữ chỉ cần dung lượng
nhỏ nên chi phí thấp hơn so với cấu hình 4 tại hình 5 mà
vẫn giúp lưới điện hoạt động ổn định với các chế độ vận
hành của lưới điện và cũng như các thay đổi trong lượng
tiêu thụ công suất của phụ tải và biến đổi thời tiết của môi
trường xung quanh [7].
Hình 7. Cấu hình lưới sử dụng mô phỏng
Với cấu hình 5 tại hình 6 là đối tượng nhóm tác giả sẽ
tiến hành nghiên cứu và để kiểm tra đáp ứng của hệ thống
với các điều kiện phức tạp hơn cấu hình lưới mô phỏng theo
IEEE 6 nút và sẽ được thử nghiệm thuật toán điều khiển
linh hoạt trên phần mềm Matlab/Simulink để kiểm chứng
kết quả [8].
3. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN LINH HOẠT CHO
HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI VÀ BỘ LƯU TRỮ
Với cấu hình lưới đã được lựa chọn tại Mục 2 để có thể
vận hành linh hoạt hệ thống pin mặt trời lai ghép bộ lưu trữ
nhóm tác giả sẽ đưa ra thuật toán điều khiển chế độ vận
hành của hệ thống pin năng lượng mặt trời đối với chế độ
vận hành lưới điện và thuật toán điều khiển sạc xả linh hoạt
cho hệ thống pin lưu trữ.
Thuật toán điều khiển chế độ vận hành cho hệ thống
năng lượng mặt trời
Hình 8. Thuật toán điều khiển chế độ vận hành của hệ thống PV
Trong đó :
MPPT : Theo dõi điểm công suất cực đại
PCC : Trạng thái đóng/ cắt lưới
Vref : Điện áp tham chiếu
Vpvbus: Điện áp đo được
Trong hình 8 ta có thể thấy hệ thống PV sẽ được hoạt
động với hai chế độ chính là nối lưới (PCC=1) và độc lập
tách lưới (PCC=0). Khi nối lưới do để tối đa lượng công
suất phát ra lên lưới hệ thống PV sẽ hoạt động theo bộ điều
khiển bám điểm công suất cực đại MPPT với các thuật toán
đã được nêu trên Mục 2. Khi hoạt động chế độ tách lưới hệ
thống PV sẽ hoạt động ở chế độ giữ lưới bằng cách giữ ổn
định điện áp hai cực ở một giá trị điện áp tham chiếu, khi
này lượng công suất phát ra của hệ thống PV sẽ không phải
là cực đại mà chỉ là mức công suất tương ứng với giá trị
điện áp tại bus. Quá trình điều khiển điện áp được thông qua
các ba bước chính đó là đọc giá trị điện áp tại bus là xác
định hiệu số ref pvbus
dV V V , khi hiệu số này nhỏ hơn 0 là
khi đó điện áp tại bus cao hơn điện áp tham chiếu vì vậy ta
cần giảm giá trị ref
I để hạ điện áp tại bus xuống giá trị mong
muốn, khi hiệu số này lớn hơn 0 thì lúc này điện áp tại bus
nhỏ hơn điện áp tham chiếu cần tăng giá trị ref
I
để điện áp
tại bus đạt được giá trị tham chiếu, khi tăng hoặc giảm mà
điện áp tại bus đã ổn định thì giữ nguyên giá trị ref
I này.
Thuật toán điều khiển linh hoạt chế độ hoạt động của
bộ lưu trữ
Hình 9. Sơ đồ thuật toán điều khiển phân bổ công suất
Trong đó:
SOC : Dung lượng hiện tại của bộ lưu trữ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 152SOCmax : Dung lượng max của bộ lưu điện
SOCmin : Dung lượng min của bộ lưu điện
PCC : Trạng thái đóng/ cắt lưới
Vb : là điện áp bus sau mạch boost
Iref : Dòng điện tham chiếu
Trong hình 9là thuật toán điều khiển chế độ vận hành
của hệ thống lưu trữ, ta có thể thấy với thuật toán này các
thông số của bộ lưu trữ và lưới điện như SOC, SOCmax,
SOCmin, Vb, PCC luôn được đọc liên tục và thuật toán sẽ dựa
vào các thông số này để lựa chọn chế độ làm việc phù hợp
[9].
Sau khi đã đọc các thông số như trên giá trị hiệu số
ref bbus
dV V V sẽ được tính toán với giá trị dV ta sẽ sử
dụng để lựa chọn lựa chọn chế độ sạc xả cho pin sau khi
điều kiện về dung lượng và trạng thái lưới được thông qua.
Nếu giá trị dung lượng của bộ lưu trữ có giá trị nằm trong
khoảng
min max
SOC SOC SOC và đang vận hành nối
lưới PCC=1 hoặc nếu
min
100SOC SOC và hoạt động ở
chế độ độc lập tách lưới (điều kiện 1) thì nếu giá trị dV nhỏ
hơn 0 tức là công suất phát ra của hệ thống đang lớn hơn
giá trị của phụ tải yêu cầu cho nên hệ thống lưu trữ làm
nhiệm vụ lưu trữ dung lượng dư thừa để giúp ổn định lưới
điện. Nếu giá trị dV lớn hơn 0 tức là hệ thống thiếu hụt công
suất cấp cho phụ tải lúc này bộ điều khiển sạc xả hai chiều
sẽ hoạt động ở chế độ xả để chuyển nguồn năng lượng dự
trữ thành dòng cấp cho phụ tải bù lại lượng thiếu hụt công
suất yêu cầu. Sau khi đã điều chỉnh lượng công suất phù
hợp bộ điều khiển sẽ giữ trạng thái này để ổn định lưới điện.
Nếu bộ lưu trữ hoạt động ở chế độ sạc xả mà dung lượng đã
đạt giá trị tối đa cho phép mà vẫn còn dư thừa công suất thì
bộ điều khiển ngắt trạng thái sạc để đảm bảo tuổi thọ cho
bộ lưu trữ mà ngắt trạng thái xả để không gây dư thừa công
suất quá nhiều lên lưới [10].
Nếu trong quá trình vận hành lưới điện sự thiếu hụt
lượng công suất diễn ra lâu dài bộ lưu trữ sẽ xả đến khi dung
lượng nhỏ hơn dung lượng tối thiểu cho phép thì hệ thống
sẽ dừng sạc xả để đảm bảo tuổi thọ cho bộ lưu trữ và khi có
sự dư thừa công suất trở lại bộ điều khiển sẽ thực hiện lưu
trữ năng lượng để chuẩn bị cho những dao động biến đổi
công suất phụ tải tiếp theo. Trong quá trình sạc điều kiện
bám theo giá trị điện áp tham chiếu luôn được giữ ổn định
bằng cách giữ trạng thái của bộ điều khiển.
4. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
Thông số lưới điện thực hiện được trình bày dưới hai
bảng 1.
Bảng 1. Thông số vận hành lưới điện
Thông số Giá trị
Điện áp bộ lưu điện 525V
Dung lượng bộ lưu điện 300Ah
Điện áp PV1 (MPP) 319V
Điện áp PV2 (MPP) 319V
Điện áp PV3 (MPP) 580V
Phụ tải 1 250+j25 kVA
Phụ tải 2 50+j5 kVA
Phụ tải địa phương 80+j8 kVA
Hình 10. Sơ đồ lưới điện mô phỏng
Hình 11. Mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink
Hình 121. Công suất của toàn bộ hệ thống
Trong mô phỏng hệ thống lưới điện IEEE 6 nút, Hình
12 trình bày quá trình phân bổ công suất của hệ thống. Ban
đầu, từ 0s đến 2s, hệ thống hoạt động nối lưới với phụ tải
cố định và phụ tải địa phương, trong đó PV3 cung cấp công
suất cần thiết cho phụ tải và lưu trữ dư thừa vào bộ lưu trữ
