Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN HỒNG PHƯỚC

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT
NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN HỒNG PHƯỚC

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT
NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Phước

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Đánh giá tình hình khai thác và sử dụng nguồn điện năng lượng mặt trời.

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang
điện.
- Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang
điện.
- Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng
pin quang điện.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Hồng Phước


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô của Trường Đại học Công
nghệ Tp. HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật HUTECH đã

hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn.
Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báo cho việc hoàn thành
Luận văn này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện Luận văn của em.

Nguyễn Hồng Phước


Tóm tắt
Các phân tích cho thấy rằng, các nguồn năng lượng tái tạo đã, đang và
sẽ được quan tâm khai thác nhiều hơn trong tương lai. Trong số, các nguồn
năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời được quan tâm khá nhiều, đặc biệt là tại
các quốc gia có điều kiện tự nhiên như Việt Nam.
Bên cạnh đó, tương ứng với quy mô khai thác công suất lớn cho mục
tiêu giảm các gánh nặng về cơ cấu nguồn điện cho các nguồn năng lượng điện
truyền thống như thủy điện và nhiệt điện, xu hướng nối lưới của các hệ thống
điện năng lượng tái tạo được quan tâm nhiều hơn trong thời gian gần đây.
Khi nối lưới hệ thống điện năng lượng tái tạo mà cụ thể được khảo sát
trong luận văn này là hệ thống điện năng lượng mặt trời thì các ảnh hưởng của
việc nối lưới nguồn năng lượng điện này là cần được quan tâm, đặc biệt liên
quan đến ổn định cho hệ thống điện khi các thông số đầu vào của nguồn năng
lượng mặt trời bị thay đổi như cường độ bức xạ, nhiệt độ, . . .
Chính vì các lý do trên, đề tài “Phân tích hệ thống điện có xét nguồn
điện năng lượng mặt trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này.
Luận văn bao gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan các nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét
nguồn điện năng lượng mặt trời

+ Chương 3: Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt
trời
+ Chương 4: Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng
lượng mặt trời
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


Abstract
The analysis shows that the renewable energy sources have been and
will be interested in exploiting more in the future. Among the renewable
energy sources, solar energy is of great interest, especially in countries with
natural conditions such as Vietnam. In addition, it corresponds to a large scale
of exploitation for the purpose of reducing the burden of power generation on
traditional power sources such as hydro power and thermal power. The trend of
the power systems which connected with the renewable energy sources is more
concerned in recent times.
The connection of the solar energy systems to the grid is specifically
investigated in this thesis. The effects of the grid connection are to be
considered. The stability of the power system when the input parameters of the
solar energy source is changed such as irradiation, temperature... or various
short circuit types happened in the power system.
For the above reasons, the topic "Analyzing of power system including
a solar energy source" is selected and implemented in this thesis.
This thesis includes the following contents:
+ Chapter 1: Introduction
+ Chapter 2: Literature review of power system analysis considering a
solar energy source
+ Chapter 3: Power system analysis considering a solar energy source
+ Chapter 4: Simulations
+ Chapter 5: Conclusions and future works

i

MỤC LỤC
Mục lục ........................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ iii
Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Nhu cầu năng lượng thế giới ................................................................. 1
1.3. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 6
1.4. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 6
1.5. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 6
1.6. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .......................................................... 6
1.7. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 7
1.8. Bố cục của luận văn ............................................................................... 7
1.9. Kết luận ................................................................................................. 8
Chương 2 - Tổng quan các nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét
nguồn điện năng lượng mặt trời ................................................................ 9
2.1. Giới thiệu ............................................................................................... 9
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 9
2.3. Tình hình nghiên cứu nước ngoài ........................................................ 11
2.4. Kết luận ............................................................................................... 15
Chương 3 - Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt
trời .............................................................................................................. 16
3.1. Hệ thống điện ...................................................................................... 16
3.1.1. Giới thiệu .......................................................................................... 16
3.1.2. Cấu trúc của hệ thống điện ............................................................... 17
3.1.3. Các chế độ làm việc của hệ thống điện ............................................ 20
3.1.4. Chất lượng điện năng của hệ thống điện .......................................... 23

ii

3.1.5. Ổn định trong hệ thống điện ............................................................. 26
3.2. Hệ thống điện năng lượng mặt trời ..................................................... 32
3.2.1. Giới thiệu .......................................................................................... 32
3.2.2. Mô hình toán pin quang điện ............................................................ 33
3.2.3. Module pin quang điện ..................................................................... 35
3.2.4. Mảng pin quang điện ........................................................................ 36
3.2.5. Các ảnh hưởng đến pin quang điện .................................................. 38
3.2.5.1. Ảnh hưởng của cường độ bức xạ .................................................. 39
3.2.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................ 39
3.2.5.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ............................................ 40
3.2.6. Hệ thống pin quang điện nối lưới ..................................................... 44
3.2.7. Các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC .................................................. 46
3.2.7.1. Bộ biến đổi DC/DC ....................................................................... 46
3.2.7.2. Bộ biến đổi DC/AC ........................................................................ 47
3.2.8. Giải thuật tìm điểm công suất cực đại .............................................. 57
Chương 4 - Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng
lượng mặt trời ........................................................................................... 61
4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 61
4.2. Hệ thống điện chưa kết nối với nguồn pin quang điện......................... 62
4.3. Hệ thống nguồn pin quang điện .......................................................... 70
4.4. Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn pin quang điện ....... 73
4.4.1. Cường độ bức xạ không đổi ............................................................. 74
4.4.2. Cường độ bức xạ thay đổi ................................................................ 80
4.4.3. Ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B1, trước điểm nối lưới ................... 86
4.5. Kết luận ............................................................................................... 91
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai .............................. 93

5.1. Kết luận ................................................................................................ 93
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 93
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 94


iii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Nhu cầu sử dụng điện trên thế giới từ 1970 đến 2015 ................. 1
Hình 1.2. Tiêu thụ năng lượng điện tại các quốc gia được công nghiệp hóa
và đang phát triển từ 1990 đến 2015 ............................................................ 2
Hình 1.3. Tiêu thụ năng lượng điện ở các nước phát triển Châu Á từ 1990
đến 2015 ....................................................................................................... 3
Hình 1.4. Cắt giảm khí thải theo Hiệp định thư Kyoto ................................ 3
Hình 1.5. Đóng góp của nguồn năng lượng tái tạo trong cơ cấu nguồn điện
của các nước trên thế giới năm 2004 và 2030 .............................................. 5
Hình 3.1. Khảo sát ổn định tĩnh của hệ thống điện đơn giản ..................... 27
Hình 3.2. Khảo sát ổn định tĩnh của hệ thống điện 4 nút ........................... 28
Hình 3.3. Khảo sát ổn định động ................................................................ 30
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện .............................. 33
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của pin quang điện (Dòng điện ngắn
mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc) ............................................................. 33
Hình 3.6. Mô hình thay thế pin quang điện có xét đến các tổn hao ............ 34
Hình 3.7. Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của Rs
và Rp ............................................................................................................ 35
Hình 3.8. Module pin quang điện ............................................................... 35
Hình 3.9. Đặc tính của module pin quang điện .......................................... 36
Hình 3.10. Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau .... 37
Hình 3.11. Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau . 37
Hình 3.12. Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau .... 38

Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ bức xạ
khác nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 250C ............................. 39
Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau
và cường độ bức xạ không đổi 1 kW/m2 .................................................... 39
Hình 3.15. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường


iv

hợp module không bị che khuất ................................................................. 40
Hình 3.16. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường
hợp module bị che khuất một phần ............................................................ 40
Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang
điện ............................................................................................................. 41
Hình 3.18. Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất 42
Hình 3.19. Module pin quang điện sử dụng diode bypass ........................ 42
Hình 3.20. Đặc tính của pin quang điện trong trường hợp sử dụng diode
bypass ......................................................................................................... 43
Hình 3.21. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode
bypass ......................................................................................................... 43
Hình 3.22. Hệ thống pin quang điện nối lưới ............................................. 44
Hình 3.23. Sơ đồ khối hệ thống pin quang điện nối lưới ........................... 45
Hình 3.24. Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao ........................................ 45
Hình 3.25. Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp ....................... 46
Hình 3.26. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch ..................................... 47
Hình 3.27. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới .............................................. 48
Hình 3.28. Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới ........................................... 49
Hình 3.29. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL ................................................ 50
Hình 3.30. Tín hiệu ngõ ra VCO ................................................................ 51
Hình 3.31. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha ................................................... 52

Hình 3.32. Hệ trục tọa độ ....................................................................... 53
Hình 3.33. Hệ trục tọa độ dq ....................................................................... 54
Hình 3.34. Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ................ 55
Hình 3.35. Giải thuật InC ........................................................................... 47
Hình 3.36. Lưu đồ giải thuật InC ............................................................... 60
Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống điện có xét nguồn pin quang điện ............. 61
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện có xét nguồn pin quang điện .... 61
Hình 4.3. Hệ thống điện chưa có kết nối nguồn pin quang điện ................ 62
Hình 4.4. Nguồn của hệ thống điện chưa có kết nối nguồn pin quang điện 63


v

Hình 4.5. Máy biến áp 47 MVA, 120/25 kV .............................................. 65
Hình 4.6. Máy biến áp tạo trung tính nối đất qua điện trở ......................... 65
Hình 4.7. Thông số của máy biến áp tạo trung tính qua điện trở nối đất ... 66
Hinh 4.8. Thông số của phân đoạn 1 .......................................................... 67
Hình 4.9. Thông số của phân đoạn 2 .......................................................... 68
Hình 4.10. Phụ tải 1 .................................................................................... 69
Hình 4.11. Phụ tải 2 .................................................................................... 70
Hình 4.12. Thông số của hệ thống pin quang điện ..................................... 71
Hình 4.13. Đặc tính V-I và V-P của module pin quang điện tương ứng
với cường độ bức xạ Gi thay đổi ................................................................ 72
Hình 4.14. Đặc tính V-I và V-P của mảng pin quang điện (5 x 66) tương ứng
với cường độ bức xạ Gi thay đổi ................................................................ 73
Hình 4.15. Cường độ bức xạ không đổi, G = 1000 (W/m2) ....................... 74
Hình 4.16. Điện áp của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ
không đổi .................................................................................................... 75
Hình 4.17. Cường độ dòng điện của hệ thống nguồn pin quang điện với
cường độ bức xạ không đổi ........................................................................ 75

Hình 4.18. Công suất phát của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ
bức xạ không đổi ........................................................................................ 76
Hình 4.19. Điện áp pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ không đổi 76
Hình 4.20. Cường độ dòng điện pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức
xạ không đổi ............................................................................................... 77
Hình 4.21. Công suất nguồn phát tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ
không đổi .................................................................................................... 77
Hình 4.22. Cường độ bức xạ thay đổi ........................................................ 80
Hình 4.23. Điện áp của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ
thay đổi ....................................................................................................... 81
Hình 4.24. Cường độ dòng điện của hệ thống nguồn pin quang điện với
cường độ bức xạ thay đổi ........................................................................... 81
Hình 4.25. Công suất phát của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ
bức xạ thay đổi ........................................................................................... 82


vi

Hình 4.26. Điện áp pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ thay đổi . 82
Hình 4.27. Cường độ dòng điện pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức
xạ thay đổi .................................................................................................. 83
Hình 4.28. Công suất nguồn phát tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ
thay đổi ....................................................................................................... 83
Hình 4.29. Vị trí xảy ra ngắn mạch 3 pha .................................................. 87
Hình 4.30. Thông số mô tả ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B1 ................... 87
Hình 4.31. Cường độ bức xạ thay đổi trong khảo sát hệ thống có ngắn mạch
3 pha ........................................................................................................... 88
Hình 4.32. Điện áp của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ bức xạ
thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 ............................................................ 88
Hình 4.33. Cường độ dòng điện của hệ thống nguồn pin quang điện với

cường độ bức xạ thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 ................................ 89
Hình 4.34. Công suất phát của hệ thống nguồn pin quang điện với cường độ
bức xạ thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 ................................................ 89
Hình 4.35. Điện áp pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ thay đổi và
ngắn mạch 3 pha tại B1 ............................................................................... 90
Hình 4.36. Cường độ dòng điện pha A tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ
thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 ............................................................ 90
Hình 4.37. Công suất nguồn phát tại thanh cái B1 với cường độ bức xạ thay
đổi và ngắn mạch 3 pha tại B1 .................................................................... 91


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Năng lượng được sử dụng hàng ngày và tồn tại dưới nhiều dạng khác
nhau: ánh sáng, nhiệt độ và điện. Cơ thể con người dùng năng lượng tích trữ
trong các nhóm hợp chất như cacbon hydrat và chất đạm để vận động, thở, tăng
trưởng và suy nghĩ. Con người đã chế tạo ra hàng ngàn máy móc và công cụ
dùng năng lượng để hỗ trợ cuộc sống. Một số thiết bị dùng điện, trong khi đó
một số khác dùng năng lượng từ dầu, than đá, ...
Hai dạng năng lượng phổ biến nhất thường được sử dụng là nhiệt và
điện. Trong đó, nhiệt là năng lượng của các phần tử chuyển động trong các
chất. Các phần tử càng chuyển động nhanh, chất càng nóng lên. Điện là dạng
năng lượng của các electron chuyển động dọc theo dây dẫn như dây đồng.
1.2. Nhu cầu năng lượng thế giới
Theo Bộ năng lượng Mỹ, nguồn điện là nguồn năng lượng tăng nhanh
nhất trong các thập kỉ tới trên toàn thế giới. Nhu cầu sử dụng năng lượng điện
đã tăng lên 19 nghìn tỷ kWh năm 2015 với tỷ lệ tăng hàng năm là 2,6%, Hình

1.1.

Hình 1.1. Nhu cầu sử dụng điện trên thế giới từ 1970 đến 2015


2

Nhu cầu sử dụng năng lượng điện trong lĩnh vực công nghiệp tại các
quốc gia đang phát triển và các quốc gia có nền công nghiệp phát triển được
đánh giá là tăng đến năm 2015 như Hình 1.2.

Hình 1.2. Tiêu thụ năng lượng điện tại các quốc gia được công nghiệp hóa và
đang phát triển từ 1990 đến 2015
Hình 1.2 cho thấy tiêu thụ năng lượng điện tăng nhanh ở các nước phát
triển. Tổ chức các nước phát triển và hợp tác kinh tế (Oganisation for
Economic Co-operation and Development, OECD) chiếm 20% dân số thế giới
nhưng tiêu thụ lượng điện đến 60% lượng điện thế giới. Mặc dù, Mỹ là nước
tiêu thụ lượng điện nhiều nhất thế giới nhưng Mỹ có tỷ lệ tăng thấp nhất, 1,3%.
Trong khi, tỷ lệ tăng trung bình của thế giới là 2,6%. Mêhicô là quốc gia có tỷ
lệ tăng cao nhất hàng năm là 4,7% đến năm 2015. Các nước phát triển ở Châu
Á được dự đoán là sẽ có tỷ lệ tăng cao nhất khoảng 5%, Hình 1.3.
Khi nhu cầu năng lượng điện tăng, nguồn than sẽ giữ vai trò tích trữ
năng lượng cơ bản cho việc phát điện, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ. Do
đó, việc chia sẻ phát điện bằng năng lượng hạt nhân đang tiến đến đỉnh cao
nhưng các nhà khoa học dự đoán rằng nó sẽ tàn lụi trong tương lai. Con người
mong muốn rằng than đá, khí tự nhiên và năng lượng tái tạo sẽ phát triển thay
thế kế hoạch năng lượng hạt nhân cũ kĩ. Trong đó năng lượng tái tạo sẽ chiếm
phần lớn trong sự phát triển chung đó. Nói đến năng lượng tái tạo có nghĩa là

3

nói đến nguồn năng lượng sạch. Hiện nay, trên thế giới đang kêu gọi giảm tác
động của các nguồn năng lượng đến môi trường, cụ thể là Hiệp định thư Kyoto.

Hình 1.3. Tiêu thụ năng lượng điện ở các nước phát triển Châu Á từ 1990 đến
2015

Hình 1.4. Cắt giảm khí thải theo Hiệp định thư Kyoto
Năng lượng tái tạo giữ một vai trò rất quan trọng trong các loại năng
lượng điện đang tồn tại. Trên thế giới, đến năm 2030, năng lượng tái tạo dự
kiến cung cấp hơn 25% tổng lượng điện. Trong năm 2004, tổng lượng điện của
nguồn năng lượng tái tạo là 18%. Trong những khoảng thời gian nhất định,
việc phát điện từ nguồn năng lượng tái tạo tăng từ 3179 TWh đến 7775 TWh
và năng lượng tái tạo trở thành nguồn phát điện lớn thứ hai sau nguồn nhiên


4

liệu than.
Việc tăng trưởng có kế hoạch là kết quả của các chính sách mới đang
được xem xét. Giả sử rằng các chính sách này sẽ được thực hiện, cũng như kết
quả của việc mở rộng và cũng cố chính sách hiện thời. Hầu hết, các nước thuộc
OECD và ngoài OECD đang xem xét chính sách để tăng việc đóng góp các
nguồn năng lượng tái tạo. Với các nước thuộc Liên minh Châu Âu mà chưa có
mục tiêu sử dụng năng lượng tái tạo trước năm 2010, mặc dù đã có các chính
sách quốc gia liên quan.
Tại Mỹ, khoảng một nửa các tiểu bang đã có kế hoạch tăng việc sử dụng
năng lượng tái tạo thông qua tiêu chuẩn đầu tư năng lượng tái tạo.
Tại Trung Quốc, Luật năng lượng tái tạo đã có hiệu lực từ năm 2006, sẽ

tạo ra các ảnh hưởng sâu và rộng đối với việc phát điện từ các nguồn năng
lượng tái tạo.
Tại các quốc gia OECD, cơ cấu của năng lượng tái tạo tăng 10% trên
mức hiện tại.
Tại các quốc gia đang phát triển, cơ cấu của năng lượng tái tạo tăng
khoảng 4%.
Theo các quy hoạch, đối với các quốc gia thuộc OECD, tăng trưởng ấn
tượng nhất là 38% lượng điện dựa trên năng lượng điện tái tạo vào năm 2030.
Cơ cấu của thủy điện trong việc phát điện của thế giới là 16% vào năm 2030,
cũng tương tự như hiện nay. Hầu hết, các nhà máy thủy điện mới được xây
dựng ở các quốc gia đang phát triển. Tại các quốc gia này, nguồn năng lượng
dự phòng chưa được khai thác và vẫn còn rất lớn. Tuy nhiên, rõ ràng rằng các
quốc gia đang phát triển này vẫn quan tâm đến các nguồn năng lượng tái tạo do
các ảnh hưởng và tác động của các nguồn thủy điện và nhiệt điện. Công suất
của thủy điện trên thế giới đang tiến đến khoảng 1431 GW năm 2030, so với
khoảng 851 GW hiện nay. Tại Trung Quốc, công suất thủy điện tăng từ khoảng
105 GW vào năm 2004 đến khoảng 298 GW vào năm 2030. Tại Ấn Độ, công
suất thủy điện tăng từ khoảng 31 GW vào năm 2004 đến khoảng đến khoảng
105 GW vào năm 2030.
Năng lượng điện được phát ra từ năng lượng mặt trời, gió, sinh khối, địa


5

nhiệt, thủy triều và sóng biển đạt công suất 2872 TWh vào năm 2030, tăng
khoảng 8 lần so với hiện nay, tương ứng với cơ cấu tăng từ 2% cho đến 10%
vào năm 2030. Trong đó, việc tăng nhiều nhất là tại quốc gia Châu Âu thuộc
OECD. Dự kiến, các nguồn năng lượng tái tạo này sẽ đáp ứng khoảng 22% nhu
cầu sử dụng năng lượng điện, Hình 1.5. Việc tăng đáng kể này phản ánh các
chính sách mới nhắm đến ủng hộ việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo.

Hình 1.5. Đóng góp của nguồn năng lượng tái tạo trong cơ cấu nguồn điện của
các nước trên thế giới năm 2004 và 2030
Các phân tích cho thấy rằng, các nguồn năng lượng đã, đang và sẽ được
quan tâm khai thác nhiều hơn trong tương lai. Trong số, các nguồn năng lượng
tái tạo được trình bày, năng lượng mặt trời được quan tâm khá nhiều, đặc biệt
là tại các quốc gia có điều kiện tự nhiên như Việt Nam.
Bên cạnh đó, tương ứng với quy mô khai thác công suất lớn cho mục
tiêu giảm các gánh nặng về cơ cấu nguồn điện cho các nguồn năng lượng điện
truyền thống như thủy điện và nhiệt điện, xu hướng nối lưới của các hệ thống
điện năng lượng tái tạo được quan tâm nhiều hơn trong thời gian gần đây.
Khi nối lưới hệ thống điện năng lượng tái tạo mà cụ thể được khảo sát
trong luận văn này là hệ thống điện năng lượng mặt trời thì các ảnh hưởng của
việc nối lưới nguồn năng lượng điện này là cần được quan tâm, đặc biệt liên
quan đến ổn định cho hệ thống điện khi các thông số đầu vào của nguồn năng
lượng mặt trời bị thay đổi như cường độ bức xạ, nhiệt độ, . . .


6

Chính vì các lý do trên, đề tài “Phân tích hệ thống điện có xét nguồn
điện năng lượng mặt trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Việc kết nối các nguồn điện năng lượng tái tạo vào cơ cấu nguồn điện
chung của hệ thống điện là một xu hướng tích cực. Tuy nhiên, cần phải có các
nghiên cứu và đánh giá về ổn định cho hệ thống điện khi sự kết nối này được
thực hiện nhằm đảm bảo mục tiêu an ninh hệ thống điện.
Vì vậy, đề tài “Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng
mặt trời” là cần thiết.
1.4. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là một hệ thống điện có xét nguồn điện năng
lượng mặt trời sử dụng pin quang điện.
1.5. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:
- Đánh giá tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng điện mặt trời.
- Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến nghiên cứu phân
tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang
điện.
- Mô hình và mô phỏng một hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt
trời sử dụng pin quang điện.
- Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử
dụng pin quang điện.
1.6. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt
trời” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến phân tích hệ thống điện có xét nguồn
điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện


7

- Nghiên cứu và xây dựng hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng pin
quang điện.
- Nghiên cứu kết nối nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện
vào lưới điện.
- Nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử
dụng pin quang điện trong các điều kiện của cường độ bức xạ, . . .
1.7. Phương pháp nghiên cứu
- Về lý thuyết:
+ Thu thập tài liệu và nghiên cứu phân tích hệ thống điện truyền thống.

+ Thu thập tài liệu và nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét nguồn
điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện.
- Về mô phỏng:
+ Trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu, xây dựng các mô hình phục vụ cho việc
mô phỏng hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời sử dụng pin
quang điện và nghiên cứu phân tích hệ thống điện đang khảo sát này.
1.8. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 5 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan các nghiên cứu phân tích hệ thống điện có xét
nguồn điện năng lượng mặt trời
+ Chương 3: Phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt
trời
+ Chương 4: Mô phỏng phân tích hệ thống điện có xét nguồn điện năng
lượng mặt trời
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


8

1.9. Kết luận
Sự phát triển của cơ cấu nguồn điện gắn liền với sự phát triển của hệ
thống phụ tải mà đã yêu cầu các nhà khoa học phải tích cực nghiên cứu và triển
khai đưa các nguồn năng lượng tái tạo tham gia vào cơ cấu nguồn hiện hữu.
Trong số các nguồn năng lượng tái tạo đang tồn tại và được sử dụng phổ biến
thì nguồn năng lượng mặt trời được nhiều nhà khoa học quan tâm. Việc kết nối
nguồn năng lượng điện mặt trời vào cơ cấu nguồn điện truyền thống có thể gây
ra các ảnh hưởng mà cần phải được quan tâm nghiên cứu và đánh giá. Các ảnh
hưởng có thể xuất phát từ sự thay đổi của các điều kiện tự nhiên như sự thay
đổi của điều kiện bức xạ, sự thay đổi của nhiệt độ hoặc các sự cố như ngắn

mạch xảy ra trong hệ thống điện có xét đến nguồn năng lượng mặt trời. Các
vấn đề trên sẽ được tìm hiểu và nghiên cứu trong luận văn này.


9

Chương 2
Tổng quan các nghiên cứu phân tích hệ thống điện có
xét nguồn điện năng lượng mặt trời
2.1. Giới thiệu
Việc kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời vào hệ thống điện truyền
thống bao gồm các nguồn thủy điện và nhiệt điện là một xu hướng phát triển
của ngành năng lượng điện. Giải pháp này nhằm mục đích giảm bớt các gánh
nặng của các nguồn năng lượng điện truyền thống trong giai đoạn các nguồn
nhiên liệu sơ cấp đầu vào bao gồm than đá, dầu mỏ, khí đốt, . . . trở nên khan
hiếm và có nhiều biến động về giá. Bên cạnh đó, giải pháp này cũng giải quyết
bài toán lưu trữ của hệ thống điện năng lượng mặt trời. Trong trường hợp này,
hệ thống điện truyền thống sẽ được xem như là một hệ thống lưu trữ vô cùng
lớn cho hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Khi hai hệ thống này được kết nối lại với nhau thành một hệ thống điện
mà được gọi là hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng mặt trời thì các
phân tích liên quan đến hệ thống điện này cần thiết phải được nghiên cứu. Gần
đây, các nhà khoa học đã quan tâm nhiều đến vấn đề này mà sẽ được trình bày
trong phần kế tiếp.
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Tác giả Tạ Văn Toàn đã thực hiện nghiên cứu, "Phân tích hoạt động của
hệ thống năng lượng mặt trời kết nối vào lưới phân phối khi có hiện tượng sụt
áp" trong Luận văn Thạc Sĩ của mình [1]. Trong đề tài nghiên cứu này, tác giả
đã nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng sụt áp do ngắn mạch đến sự hoạt động
của hệ thống năng lượng mặt trời; dựa vào kết quả phân tích hoạt động của hệ

thống điện năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện xác định được các trường
hợp cắt không mong muốn của hệ thống điện năng lượng mặt trời ra khỏi lưới
điện khi gặp hiện tượng sụt áp. Thêm vào đó, tác giả cũng đề ra giải pháp để hệ


10

thống điện năng lượng mặt trời ngắt kết nối khi sự cố trong vùng tác động của
nó và giữ kết nối đối vối các trường hợp ngoài vùng tác động.
Tác giả Nguyễn Thành đã thực hiện nghiên cứu, "Pin quang điện và vấn
đề kết nối lưới điện" trong Luận văn Thạc sĩ của mình [2]. Tác giả đã tìm hiểu
hệ thống pin quang điện, phân tích các phương pháp điều khiển truy tìm điểm
tối ưu công suất “MPPT” (Maximum Power Point Tracking). Có nhiều cách
khác nhau để điều khiển MPPT như giải thuật P&O, INC, CV … thông thường
sử dụng hệ điều khiển MPPT theo giải thuật P&O. Tuy nhiên, giải thuật P&O
vẫn còn những vấn đề như thời gian đáp ứng chậm, chưa chính xác khi các điều
kiện môi trường thay đổi nhanh, tồn tại dao động xung quanh điểm MPP. Tác
giả đã đề nghị một phương pháp điều khiển MPPT khác, đó là ứng dụng mạng
ANFIS để điều khiển truy tìm điểm tối ưu công suất “MPPT” với các ưu điểm
như: đạt hiệu quả chuyển hóa năng lượng tối đa, tốc độ đáp ứng nhanh, phương
pháp điều khiển đơn giản, phù hợp với xu hướng phát triển của công nghệ. Khi
tiến hành mô phỏng hệ quang điện kết nối lưới điện để so sánh hai phương
pháp điều khiển MPPT (P&O và ANFIS) kết quả thu được tốt hơn khi cải thiện
độ méo dạng sóng hài (THD).
Các tác giả Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Đình Quang và Trần Tùng đã
thực hiện nghiên cứu, "Nghiên cứu tiêu chuẩn và phương pháp tối ưu công suất
phát của hệ thống điện mặt trời nối lưới: xét cho trường hợp lưới điện hạ thế 1
pha" [3]. Các tác giả đã tập trung nghiên cứu hệ thống điện mặt trời nối lưới
trên cơ sở kỹ thuật điều khiển công suất phát nhờ thay đổi góc pha giữa điện áp
đầu ra của bộ nghịch lưu và điện áp lưới điện và đồng bộ dòng công suất xoay

chiều đầu ra của bộ nghịch lưu vào lưới điện. Bên cạnh đó, các tác giả cũng đưa
ra được những nghiên cứu về tiêu chuẩn kết nối.
Các tác giả Trương Việt Anh và Nguyễn Bá Thuận đã giới thiệu một
nghiên cứu, "Phương pháp mới hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện
phân phối" [4]. Trong nghiên cứu này, các tác giả trình bày một mô hình kết
nối nguồn năng lượng mặt trời, cũng như các nguồn năng lượng phân tác khác
tại cá hộ gia đình, hòa đồng bộ vào lưới điện phân phối. Việc hòa này dùng
phương pháp điều khiển bám sát tần số, điện áp của nguồn lưới cũng như


11

nguồn năng lượng mặt trời. Kết quả khảo sát trên mô hình của phương pháp
cho thấy khả năng ổn định dòng điện bơm vào lưới bất chấp sự thay đổi của
điện áp và tần số lưới điện hoặc điện áp nguồn một chiều của hệ thống nghịch
lưu bị suy giảm hay tăng cao. Ngoài ra, mô hình còn có khả năng giảm thiểu
lượng công suất kháng truyền vào lưới để tận dụng tối đa khả năng các khóa
điện tử của bộ biến đổi nghịch lưu trong việc truyền dòng công suất tác dụng.
Các tác giả Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Ngo Manh Dung, Pham
Quang An, Pham Dinh Truc va Nguyen Huu Phuc đã nghiên cứu, "Active and
reactive power controller for single-phase grid-connected photovoltaic
systems" [5]. Các tác giả đã trình bày một giải thuật điều khiển cho một hệ
thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới điện một pha. Trong đó, biến tần
được thiết kế cho các mảng pin quang điện kết nối lưới có thể đồng bộ hóa ngõ
ra hình sin với một lưới điện. Công suất tác dụng và phản kháng được điều
khiển tuần tự bằng góc tải và biên độ điện áp ngõ ra của biến tần. Ngoài ra,
điểm công suất cực đại luôn tìm được công suất tối ưu của mảng pin quang
điện đang sử dụng. Bộ điều khiển nạp công suất tác dụng cực đại vào lưới với
hệ số công suất là bằng 1, trong khi nó cũng cho phép điều chỉnh công suất
phản kháng được đưa vào lưới điện. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho

thấy hệ thống điều khiển có hiệu suất tốt.
2.3. Tình hình nghiên cứu nước ngoài
Khi hệ thống điện có sự tham gia của các nguồn pin quang điện, các
phân tích liên quan đến chất lượng điện năng và ổn định của hệ thống điện mới
này cần được quan tâm. Các tác giả Natthanon Phannil, Chaiyan Jettanasen và
Atthapol Ngaopitakkul đã giới thiệu các phân tích về chất lượng điện năng của
một hệ thống điện có sự tham gia của nguồn pin quang điện [6]. Có thể nhận
thấy rằng nguồn pin quang điện được nối với lưới điện truyền thống thông qua
hệ thống nghịch lưu. Trong đó, quá trình đóng cắt của các thiết bị nghịch lưu là
nguyên nhân chính. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng phần lớn các họa tần
là xuất phát từ nguồn hệ thống pin quang điện và tải. Ngoài ra, các so sánh và
đánh giá cũng cho thấy rằng họa tần của hệ thống nguồn pin quang điện ảnh