ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TRỌNG TÀI

TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ BIẾN TẦN
CỦA CHỨC NĂNG VOLT-VAR TRÊN
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Chuyên ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số:

8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN PHÚC KHẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Nhật Nam

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Văn Đại

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.

HCM ngày 15 tháng 07 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: PGS. TS. Võ Ngọc Điều
2. Thư ký: TS. Huỳnh Quốc Việt
3. Phản biện 1: TS. Nguyễn Nhật Nam
4. Phản biện 2: TS. Lê Văn Đại
5. Uỷ viên: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS. Võ Ngọc Điều

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Trọng Tài

MSHV: 2070142

Ngày tháng năm sinh: 26/02/1990


Nơi sinh: Cần Giuộc, Long An

Chuyên ngành: Hệ thống điện

Mã số: 8520201

I.

II.

TÊN ĐỀ TÀI:
- Tối ưu các thông số biến tần của chức năng Volt-Var trên lưới điện
phân phối.
- Optimizing Inverter parameters for the Volt-Var function on the
distribution power grid.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về nguồn năng lượng tái tạo và biến tần thơng minh.
- Tìm giải thuật tính tốn tối ưu cơng suất cho biến tần thơng minh trong
lưới điện phân phối có nguồn năng lượng tái tạo.
- Thiết kế mơ hình và mơ phỏng trên phần mềm Matlab.
- Phân tích kết quả mơ phỏng và đưa ra kết luận.

III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIÊM VỤ: 11/06/2023


V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN PHÚC KHẢI
Tp.HCM, ngày

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

tháng

năm 2023

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Nguyễn Phúc Khải
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ii

LỜI CÁM ƠN
Trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận văn thạc sỹ của tôi, tôi đã nhận
được sự hỗ trợ và giúp đỡ từ nhiều người. Vì vậy, tôi muốn dành một lời cảm ơn chân
thành đến những người đã giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.
Đầu tiên, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn, TS. Nguyễn Phúc Khải.
Thầy đã cung cấp cho tôi những hướng dẫn, lời khuyên và sự hỗ trợ trong suốt q
trình nghiên cứu của tơi. Thầy là người đã truyền cảm hứng cho tơi và giúp tơi hồn
thành luận văn này.
Tôi cũng muốn cảm ơn các thầy cô ở bộ môn Hệ thống Điện đã hỗ trợ và giúp
đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa

TpHCM. Các thầy cô đã chia sẻ với tôi những kiến thức quý báu và truyền đạt những
kỹ năng cần thiết để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Tơi cũng muốn cảm ơn gia đình và bạn bè của mình, đã ln động viên và hỗ
trợ tơi trong suốt q trình nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn các đồng nghiệp và bạn bè, những cuộc trao đổi
và thảo luận cùng họ đã giúp tơi có được những ý tưởng mới và cải thiện chất lượng
của luận văn này.
Một lần nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả những người đã giúp
đỡ tơi hồn thành luận văn thạc sỹ này.
Trân trọng./.
TP Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2023

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trọng Tài


iii

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Hệ thống năng lượng tái tạo tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng bằng Pin
(BESS) mang lại nhiều lợi ích lớn hơn so với các hệ thống điện truyền thống. Bằng
cách kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió, hệ thống
này thúc đẩy việc tạo ra năng lượng bền vững và sạch. Việc tích hợp BESS cung cấp
những lợi ích bổ sung. BESS cho phép lưu trữ năng lượng hiệu quả, giúp quản lý và
sử dụng năng lượng tái tạo tốt hơn. Khả năng lưu trữ này giúp giải quyết vấn đề không

ổn định của các nguồn tái tạo, đảm bảo cung cấp điện ổn định và đáng tin cậy. Ngồi
ra, BESS cịn giúp cân bằng nhu cầu lưới điện thông qua khả năng cắt đỉnh và dịch
chuyển tải, cải thiện sự ổn định của lưới và tiềm năng tiết kiệm chi phí cho người tiêu
dùng và các nhà điều hành lưới.
Bài tốn được mơ phỏng trên phần mềm Matlab với lưới điện IEEE 33 nút. Ứng
dụng thuật toán tối ưu WSO để tìm lời giải tối ưu cho các vấn đề liên quan đến vị trí,
cơng suất và thông số của chức năng Volt/Var trong bộ biến tần thông minh ở cả
nguồn năng lượng tái tạo và BESS, trong đó có xét đến tổn thất cơng suất và khả năng
tiếp nhận công suất từ nguồn năng lượng tái tạo của lưới điện.
Luận văn được bố cục gồm sáu chương. Chương 1 giới thiệu tổng quan đề tài,
các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến đề tài. Chương 2 trình bày các cơ sở
lý thuyết liên quan đến nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống BESS, chức năng
volt/var của các bộ biến tần thông minh được ứng dụng trong luận văn. Trong nội
dung chương 3, thuật toán tối ưu WSO được giới thiệu. Bài toán phân bố tối ưu vị trí
và cơng suất của nguồn năng lượng tái tạo và BESS, tối ưu thông số của biến tần
thơng minh được trình bày trong chương 4 cho 06 kịch bản vận hành. Chương 5 trình
bày các kết quả mơ phỏng cho từng trường hợp, đính kèm các hình vẽ minh họa và
đưa ra nhận xét. Cuối cùng, chương 6 đưa ra kết luận và hướng phát triển trong tương
lai của đề tài.


iv

ABSTRACTS
Integrated renewable energy systems with Battery Energy Storage Systems
(BESS) offer significant advantages over traditional power systems. These systems
combine renewable energy sources like solar and wind to promote sustainable and
clean energy generation. The integration of BESS provides additional benefits by
enabling efficient energy storage, improving management and utilization of
renewable energy. This storage capability helps address the intermittent nature of

renewables, ensuring a stable power supply. Furthermore, BESS helps balance grid
demand through peak shaving and load shifting, enhancing grid stability and
potentially reducing costs. By reducing reliance on fossil fuel-based plants, the
integration of BESS contributes to a greener and more sustainable energy mix.
The problem is simulated using Matlab software with the IEEE 33 bus system.
The WSO optimization algorithm is applied to find the optimal solution for issues
related to the location, power, and parameters of the Volt/Var function in the smart
inverter for both renewable energy sources and BESS. The study also considers
power losses and the ability to accept power from renewable energy sources into the
power grid.
The thesis is structured into six chapters. Chapter 1 provides an overview of the
topic and discusses the relevant research that has been conducted. Chapter 2 presents
the theoretical foundations related to renewable energy sources and BESS systems,
as well as the volt/var functions of intelligent inverters applied in the thesis. In the
content of Chapter 3, the WSO optimization algorithm is introduced. The
optimization problem of the optimal allocation of renewable energy sources and
BESS positions and capacities, as well as the optimization of the intelligent inverter
parameters, is presented in Chapter 4 for six operating scenarios. Chapter 5 presents
simulation results for each case, accompanied by illustrative figures and provides
observations. Finally, Chapter 6 concludes the thesis and suggests future directions
for further development of the topic.


v

LỜI CAM ĐOAN
Tôi, Nguyễn Trọng Tài, cam đoan rằng luận văn thạc sỹ của tôi là sản phẩm
nghiên cứu và viết của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phúc Khải.
Tất cả những nguồn tài liệu được sử dụng trong luận văn này đã được đề cập đầy
đủ và chính xác trong phần tài liệu tham khảo.

Tơi cũng cam đoan rằng tất cả các ý kiến, kết quả nghiên cứu và phân tích
trong luận văn này là của riêng tôi và không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ tổ chức hay
cá nhân nào.
Nếu có bất kỳ vấn đề gì phát sinh liên quan đến nội dung của luận văn này,
tôi sẵn sàng chịu trách nhiệm và sẵn sàng giải quyết các vấn đề đó.
Trân trọng./.
Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Tài


vi

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ……………………………………………….i
LỜI CÁM ƠN ……………………………………………………………………...ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN …………………………………………………….…….iii
ABSTRACTS …………………………………………………………………..….iv
LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………….………v
MỤC LỤC …………………………………………………………………………vi
DANH MỤC HÌNH ……………………………………………………….……..viii
MỤC LỤC BẢNG …………………………………………………………………x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ………………………………………………..xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .................................................... 1
1.1.
1.2.
1.3.

Xu hướng phát triển của năng lượng tái tạo .................................................... 1

Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 2
Các nghiên cứu liên quan................................................................................... 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 4
2.1.
Tổng quan về hệ thống điện Mặt Trời .............................................................. 4
2.1.1. Lợi ích của việc tích hợp năng lượng tái tạo vào hệ thống điện ................... 4
2.1.2. Tác động lên lưới điện .................................................................................... 5
2.1.3. Mơ hình hệ thống PV ...................................................................................... 5
2.2.
Tổng quan về bộ biến tần thông minh .............................................................. 6
2.2.1. Vấn đề của các bộ biến tần truyền thống ....................................................... 6
2.2.2. Sự phát triển của các bộ biến tần thông minh ............................................... 9
2.2.3. Chức năng của biến tần thơng minh............................................................ 10
2.2.4. Mơ hình biến tần thông minh cho PV và BESS .......................................... 11
2.3.
Tổng quan về hệ thống lưu trữ năng lượng BESS......................................... 14
2.3.1. Giới thiệu tổng quan ..................................................................................... 14
2.3.2. Lợi ích của việc tích hợp BESS vào hệ thống điện ...................................... 15
2.3.3. Bất lợi của việc tích hợp BESS vào hệ thống điện ...................................... 16
2.3.4. Mơ hình hệ thống BESS ............................................................................... 17

CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN WAR STRATEGY OPTIMIZATION ...... 19
3.1.
3.1.1.
3.1.2.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.

3.2.4.
3.2.5.
3.2.6.

Giới thiệu chung ............................................................................................... 19
Giới thiệu thuật toán War Strategy Optimization Algorith (WSO) ................. 19
Ý tưởng xây dựng thuật tốn WSO ................................................................... 19
Mơ hình toán học của chiến lược chiến tranh trong WSO ........................... 22
Chiến lược tấn công .......................................................................................... 22
Cập nhật xếp hạng và trọng số ......................................................................... 23
Chiến lược phòng thủ ........................................................................................ 24
Thay thế/Đổi chỗ các binh sĩ yếu ...................................................................... 24
Các đặc điểm nổi bật của thuật toán đề xuất ................................................... 25
Khám phá và khai thác ...................................................................................... 25

CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ BIẾN TẦN CỦA CHỨC
NĂNG VOLT-VAR TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ............................ 28
4.1.
Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................... 28
4.1.1. Mục tiêu tổng quan ....................................................................................... 28
4.1.2. Mục tiêu cụ thể .............................................................................................. 28
4.1.3. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 29
4.1.4. Giới hạn đề tài ............................................................................................... 29


vii

4.1.5. Các bước giải quyết bài tốn ........................................................................ 30
4.2.
Mơ hình hệ thống và bài tốn xem xét ............................................................ 30

4.3.
Mơ hình bài tốn tối ưu thơng số của biến tần .............................................. 31
4.3.1. Hàm mục tiêu..................................................................................................... 31
4.3.2. Các điều kiện ràng buộc vận hành ................................................................... 32
4.3.2.1. Các điều kiện về cân bằng công suất .................................................... 32
4.3.2.2. Điều kiện giới hạn của PV tích hợp tại nút i ......................................... 33
4.3.2.3. Điều kiện ràng buộc hoạt động của bộ BESS tích hợp tại nút thứ i ...... 33
4.3.2.4. Điều kiện về công suất truyền tải của các nhánh .................................. 33
4.3.2.5. Điều kiện giới hạn điện áp tại các nút tải ............................................. 33
4.3.2.6. Điều kiện giới hạn điều chỉnh thông số của biến tần thông minh ......... 33
4.3.2.7. Mơ hình hóa các ràng buộc trong bài toán tối ưu ................................ 34
4.3.3. Ứng dụng thuật toán WSO vào việc giải quyết bài toán .................................. 35
4.3.3.1. Vector lời giải ........................................................................................ 35
4.3.3.2. Khởi tạo giá trị ban đầu ........................................................................ 36
4.3.3.3. Sơ đồ khối ứng dụng thuật toán WSO vào giải quyết bài toán ............. 37
4.3.4. Các dữ liệu ban đầu của bài toán ..................................................................... 38

CHƯƠNG 5: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................... 42
5.1.
5.2.
5.2.1.
5.2.2.
5.2.3.
5.2.4.
5.2.5.
5.2.6.
5.2.7.

Sơ đồ lưới điện IEEE 33 ................................................................................... 42
Các trường hợp phân tích ................................................................................ 42

Kết quả mơ phỏng và phân tích ứng với trường hợp 1 .................................... 43
Kết quả mơ phỏng và phân tích ứng với trường hợp 2 .................................... 43
Kết quả mơ phỏng và phân tích ứng với trường hợp 3 .................................... 46
Kết quả mô phỏng và phân tích ứng với trường hợp 4 .................................... 47
Kết quả mơ phỏng và phân tích ứng với trường hợp 5 .................................... 50
Kết quả mơ phỏng và phân tích ứng với trường hợp 6 .................................... 52
Kết quả tổng hợp................................................................................................ 54

6.1.
6.2.

Kết luận ............................................................................................................. 57
Hướng phát triển trong tương lai ................................................................... 57

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN .............................................................................. 57
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ........................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 59
PHỤ LỤC ......................................................................................................... 62
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................ 68


viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1. Năng lượng tái tạo dự kiến trong năm 2022 .............................................. 1
Hình 1. 2. Cơng suất của các nguồn năng lượng tái tạo.............................................. 1
Hình 2. 1. Hệ thống giám sát biến tần từ xa ................................................................ 8
Hình 2. 2. Hệ thống theo dõi điểm MPPT .................................................................. 9
Hình 2. 3. Cấu trúc khối chung của các bộ biến tần thơng minh .............................. 10

Hình 2. 4. Chức năng của bộ biến tần thơng minh.................................................... 10
Hình 2. 5. Bảy chức năng ổn định hệ thống điện ...................................................... 11
Hình 2. 6. Các chức năng dựa trên giao tiếp ............................................................. 11
Hình 2. 7. Đường cong cài đặt điều khiển Volt/Var ................................................. 12
Hình 2. 8. Hệ thống lưu trữ năng lượng .................................................................... 14
Hình 3. 1. Chiến lược tấn cơng trong WSO .............................................................. 22
Hình 3. 2. Sơ đồ khối của thuật toán WSO ............................................................... 26
Hình 4. 1. Mơ hình hệ thống nghiên cứu .................................................................. 31
Hình 4. 2. Dữ liệu bức xạ mặt trời tại trường đại học Nevada.................................. 38
Hình 4. 3. Cơng suất đầu ra của điện mặt trời........................................................... 39
Hình 4. 4. Thơng số mặc định của biến tần thơng minh ........................................... 39
Hình 5. 1. Sơ đồ lưới điện IEEE 33 nút .................................................................... 42
Hình 5. 2. Điện áp các nút của hệ thống IEEE 33 nút .............................................. 43
Hình 5. 3. Kết quả tối ưu Volt/Var ở trường hợp 2................................................... 45
Hình 5. 4. Đồ thị điện áp các nút ứng với trường hợp 2 ........................................... 46
Hình 5. 5. Đồ thị điện áp các nút ứng với trường hợp 3 ........................................... 47
Hình 5. 6. Kết quả tối ưu Volt/Var ứng với trường hợp 4 ........................................ 49
Hình 5. 7. Đồ thị điện áp các nút ứng với trường hợp 4 ........................................... 49
Hình 5. 8. Kết quả tối ưu Volt/Var ứng với trường hợp 5 ........................................ 51
Hình 5. 9. Đồ thị điện áp các nút ứng với trường hợp 5 ........................................... 51
Hình 5. 10. Kết quả tối ưu Volt/Var ứng với trường hợp 6 ...................................... 53
Hình 5. 11. Điện áp các nút ứng với trường hợp 6 ................................................... 53
Hình 5. 12. Đặc tính hội tụ của thuật tốn WSO ...................................................... 55


x

DANH MỤC BẢNG
Bảng 4. 1. Các thông số đầu vào của bài tốn ..........................................................41
Bảng 5. 1. Kết quả mơ phỏng ở trường hợp 2........................................................... 44

Bảng 5. 2. Giá trị tối ưu Volt/Var ở trường hợp 2 .................................................... 44
Bảng 5. 3. Kết quả mô phỏng ở trường hợp 3........................................................... 46
Bảng 5. 4. Kết quả mô phỏng ở trường hợp 4........................................................... 48
Bảng 5. 5. Giá trị tối ưu Volt/Var ở trường hợp 4 .................................................... 48
Bảng 5. 6. Kết quả mô phỏng ở trường hợp 5........................................................... 50
Bảng 5. 7. Giá trị tối ưu Volt/Var ở trường hợp 5 .................................................... 50
Bảng 5. 8. Kết quả mô phỏng ở trường hợp 6........................................................... 52
Bảng 5. 9. Thông số tối ưu Volt/Var ở trường hợp 6 ................................................ 52
Bảng 5. 10. Kết quả tổng hợp.................................................................................... 54
Bảng 5. 11. So sánh kết quả với trường hợp cài Volt/Var mặc định ........................ 55
Bảng P. 1. Thông số lưới điện IEEE 33 nút ............................................................. 64
Bảng P. 2. Kết quả chi tiết 24h ứng với TH2……………...……………………….65
Bảng P. 3. Kết quả chi tiết 24h ứng với TH4 ……………...………………………65
Bảng P. 4. Kết quả chi tiết 24h ứng với TH5 ……………………………………...66
Bảng P. 5. Kết quả chi tiết 24h ứng với TH6 …………………………………...…67


xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

AC

Alternating Current


Dòng diện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

IEA

International Energy Agency

Cơ quan năng lượng quốc tế

IEEE

Institute of Electrical and

Hội Kỹ sư Điện và Điện tử

Electronics Engineers
PV

Photovoltaics

Năng lượng Mặt trời

DER

Distributed Energy Resources


Nguồn phân tán

BESS

Battery Energy Storage System Hệ thống lưu trữ điện năng

SOC

State of Charge

Trạng thái sạc


Luận văn Thạc sĩ

1

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Xu hướng phát triển của năng lượng tái tạo
Theo báo cáo Cập nhật Thị trường Năng lượng Tái tạo tháng 5/2022 của Cơ
quan Năng lượng Quốc tế (IEA), thế giới sẽ sản xuất thêm 319 gigawatt năng lượng
tái tạo trong năm 2022, đạt kỷ lục mới về cơng suất năng lượng tái tạo.

Hình 1. 1. Năng lượng tái tạo dự kiến trong năm 2022
Năng lượng Mặt Trời sẽ chiếm 60% trong tổng công suất năng lượng tái tạo
của năm, vượt năng lượng gió và thủy điện.


Hình 1. 2. Công suất của các nguồn năng lượng tái tạo
Giới thiệu tổng quan

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

2

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

Căn cứ báo cáo số 1615/BC-EVNHCMC ngày 02 tháng 04 năm 2021 về việc
tình hình phát triển điện mặt trời mái nhà tại Tổng Cơng ty Điện lực Thành phố Hồ
Chí Minh, thì trong năm 2020, trên địa bàn TpHCM đã phát triển thêm 8762 hệ thống
với công suất 299.93MWp, gấp 04 lần so với cùng kỳ năm 2019 là 65.42MWp. Trong
đó:
Vận hành trước ngày 01/07/2019: 2366 hệ thống (sinh hoạt: 2082 hệ thống,

-

ngồi sinh hoạt: 284 hệ thống) với tổng cơng suất 26.6MWp.
Vận hành từ ngày 01/07/2019 đến 31/12/2020: 11933 hệ thống (sinh hoạt:

-

10515 hệ thống, ngoài sinh hoạt: 1418 hệ thống) với tổng cơng suất
338.75MWp.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Do tốc độ phát triển nhanh chóng của nguồn phát phân tán (DG) từ các nguồn

năng lượng tái tạo, lưới điện trở nên dễ bị tổn thương hơn. Do đó, hệ thống DG cần
được kiểm sốt với tính linh hoạt và độ tin cậy cao để loại bỏ những lỗ hổng đó.
Đồng thời, chất lượng điện năng cũng cần được phát triển. Việc tối ưu hóa cài
đặt chức năng Volt-Var của bộ biến tần thông minh làm giảm bớt độ lệch điện áp,
giảm tổn thất điện năng của hệ thống và tăng độ dự trữ cho hệ thống.
Nhằm đánh giá sát với thực tế và có ý nghĩa trong nghiên cứu, một mơ hình
lưới điện cụ thể sẽ là đối tượng của Đề tài trong việc triển khai thuật toán và chạy mô
phỏng.
1.3. Các nghiên cứu liên quan
Để giải quyết các vấn đề gây ra bởi mức độ thâm nhập tăng lên của thế hệ phân
tán và để cải thiện hiệu suất của hệ thống, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về việc
thiết lập hàm Volt – Var. Trong tài liệu tham khảo [1],[2] đã đề xuất một phương
pháp để tìm các đường cong Volt-Var tối ưu cho PV trên mái nhà nối lưới sử dụng
tối ưu trào lưu công suất ba pha. Tuy nhiên, những bài báo này có những hạn chế đối
với việc cải thiện hiệu suất do chỉ tối ưu hóa các điểm đặt của đường cong Volt – Var.
Tài liệu tham khảo [3] đã đề xuất thuật toán lựa chọn đường cong Volt-Var của biến
Giới thiệu tổng quan

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

3

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

tần thông minh đối với lưới điện có mức độ thâm nhập mức cao. Tuy nhiên, trên thực
tế rất khó để thay đổi cài đặt tối ưu của đường cong theo mỗi giờ. Tài liệu tham khảo
[4] đã cung cấp một tùy chọn để tối ưu hóa chức năng Volt – Var và Volt – Watt xem

xét đầu ra hệ thống PV và tổn thất hệ thống. Tuy nhiên, trong tài liệu tham khảo này
thì điện áp, một yếu tố quan trọng, đã không được xem xét. Tài liệu tham khảo [5],
[6] đã đánh giá tác động của chức năng Volt – Var của biến tần thông minh đến điện
áp và chất lượng điện năng trong hệ thống phân phối điện. Các tài liệu tham khảo này
xem xét nhiều yếu tố có thể được xem xét trong hệ thống và phân loại tỷ lệ thâm nhập
PV như một kịch bản. Tuy nhiên, vẫn chưa có lời giải thích cho đường cong VoltVar và các trọng số có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Tài liệu tham khảo [7] đã
giảm tổn thất năng lượng bằng cách đề xuất phương pháp điều khiển Volt – Var tối
ưu xem xét tốc độ thâm nhập PV và điều kiện thời tiết. Tuy nhiên, tài liệu tham khảo
này không coi yếu tố điện áp là một yếu tố quan trọng trong hệ thống. Tài liệu tham
khảo [8] đã mô tả chức năng của bộ biến tần thông minh để cải thiện hiệu suất của hệ
thống phân phối, chẳng hạn như khả năng lưu trữ. Tuy nhiên, tài liệu tham khảo này
chỉ xem xét yếu tố của hệ thống và khơng xem xét q trình tối ưu hóa của các đường
cong Volt-Var. Tài liệu tham khảo [9], [10] đã phân tích năm chiến lược điều khiển
biến tần khác nhau cho các chức năng mục tiêu khác nhau. Hơn nữa, các bài báo này
đã phân tích tác động giảm công suất đầu ra do điều khiển công suất phản kháng. Tuy
nhiên, hiệu quả cải thiện đã đạt đến giới hạn vì chức năng biến tần như Volt – Var
chưa được tối ưu hóa.

Giới thiệu tổng quan

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

4

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Tổng quan về hệ thống điện Mặt Trời
2.1.1. Lợi ích của việc tích hợp năng lượng tái tạo vào hệ thống điện
Việc tích hợp điện mặt trời lên lưới điện mang lại nhiều lợi ích quan trọng từ
mặt kinh tế, môi trường và xã hội. Dưới đây là một số lợi ích chính của việc tích hợp
điện mặt trời lên lưới điện:
-

Nguồn năng lượng sạch và tái tạo: Điện mặt trời là một nguồn năng lượng sạch
và tái tạo, khơng tạo ra khí thải gây hiệu ứng nhà kính hoặc gây ơ nhiễm mơi
trường. Bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện, chúng ta
giảm lượng khí thải carbon dioxide và các chất gây ô nhiễm khác từ các nguồn
năng lượng hóa thạch.

-

Tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí: Bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời
để tạo ra điện, người tiêu dùng có thể giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng
lượng truyền thống như than, dầu mỏ và khí tự nhiên. Điện mặt trời có thể
giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng và giúp người dùng tiết kiệm chi phí
năng lượng trong dài hạn.

-

Tạo việc làm và thúc đẩy phát triển công nghiệp: Việc phát triển và triển khai
các dự án điện mặt trời tạo ra nhiều cơ hội việc làm trong ngành cơng nghiệp
năng lượng tái tạo. Ngồi ra, việc tích hợp điện mặt trời cũng thúc đẩy sự phát
triển và chuyển đổi sang một nền kinh tế thân thiện với môi trường.

-


Khả năng mở rộng và linh hoạt: Việc tích hợp điện mặt trời lên lưới điện có
thể thực hiện ở các quy mô khác nhau, từ hộ gia đình đến các cơng trình cơng
nghiệp và thương mại lớn. Điều này mang lại khả năng mở rộng và linh hoạt
trong triển khai các dự án điện mặt trời theo nhu cầu và khả năng của từng địa
phương.

-

Giảm tổn thất năng lượng: Khi điện mặt trời được sản xuất gần nguồn tiêu
dùng, giảm tổn thất năng lượng trong quá trình truyền tải và phân phối. Điều
này giúp tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống điện và giảm chi phí liên quan.

Cơ sở lý thuyết

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

-

5

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

Tích cực cho cộng đồng địa phương: Các dự án điện mặt trời có thể mang lại
lợi ích cho cộng đồng địa phương bằng cách tạo ra các nguồn thu ngắn hạn và
dài hạn. Ngồi ra, việc tích hợp điện mặt trời cũng góp phần tăng cường độc
lập năng lượng và an ninh năng lượng của cộng đồng.


2.1.2. Tác động lên lưới điện
Ngoài các lợi ích mà hệ thống PV mang lại cho lưới điện, có một số tác động
của hệ thống điện mặt trời ta cần phải lưu ý:
-

Chất lượng điện năng: Khi các nguồn năng lượng tái tạo được tích hợp vào hệ
thống lưới điện, xuất hiện sự sai lệch điện áp và tần số do tính gián đoạn của
chúng. Những biến thể này là thách thức chính đối với các nguồn năng lượng
tái tạo tổng hợp.

-

Khả năng cung cấp điện: Việc sản xuất điện năng được coi là như một vấn đề
đối với năng lượng tái tạo tích hợp trong lưới điện thông minh do sự không ổn
định của các công nghệ phát năng lượng trong năng lượng tái tạo. Nó gây ra
những hư hỏng trong hoạt động của hệ thống.

-

Sự thay đổi của quá trình phát điện và tốc độ phát điện: Các công nghệ Năng
lượng tái tạo không đảm bảo tạo ra năng lượng ổn định cho hệ thống lưới điện.
Đó là một vấn đề lớn đối với việc hội nhập năng lượng tái tạo. Ngoài ra, tốc
độ biến đổi điện năng tạo ra một vấn đề cho sự kết hợp này.

-

Dự báo: Nó liên quan đến sản xuất điện, là khơng ổn định trong trường hợp
tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống lưới điện.

-


Vị trí các nhà máy năng lượng tái tạo: Năng lượng tái tạo phụ thuộc nhiều vào
điều kiện khí hậu, vị trí địa lý của khu vực và khoảng cách của chúng so với
lưới điện về mặt chi phí và hiệu suất. Do đó, những điều kiện này là một thách
thức trong trường hợp kết hợp chúng trong hệ thống lưới điện.

-

Vấn đề chi phí: vấn đề này liên quan đến địa điểm nhà máy năng lượng tái tạo
trong hệ thống lưới điện

2.1.3. Mơ hình hệ thống PV

Cơ sở lý thuyết

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

6

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

Hệ thống PV bao gồm các mảng PV, tạo ra điện năng từ ánh sáng mặt trời, và bộ
biến tần thông minh, chuyển đổi công suất đầu ra DC của các mảng PV thành công
suất AC với các chức năng bổ sung. Công suất đầu ra PV phụ thuộc vào bức xạ mặt
trời và nhiệt độ mơi trường. Cơng thức tính tốn cơng suất đầu ra PV (PPV) từ bức xạ
mặt trời và nhiệt độ môi trường được mô tả trong các công thức (2.1)-(2.4) [11].
Tcell  Tamb 


Sird
 ( NOCT  20)
0.8

(2.1)

I cell  Sird  ( I sc  Ki  (Tcell  25))

(2.2)

Vcell  Voc  K v  Tcell

(2.3)

PPV  Ntotal 

VMPP  I MPP
 Vcell  I cell
Voc  I sc

(2.4)

2.2. Tổng quan về bộ biến tần thông minh
2.2.1. Vấn đề của các bộ biến tần truyền thống
Biến tần đóng vai trị chính như cầu nối được sử dụng để liên kết giữa các nguồn
năng lượng tái tạo (DER) và hệ thống điện. Các biến tần truyền thống có một số vấn
đề bất thường do sự phức tạp của hệ thống điện hiện tại. Ta sẽ thảo luận một số vấn
đề như sau:
a. Quá nhiệt

Hầu hết các thành phần điện tử bên trong biến tần đều nhạy cảm với nhiệt độ.
Nhiệt độ cao sẽ làm giảm đáng kể sản lượng điện và nếu đạt đến nhiệt độ hoạt động
tối đa, nó thậm chí có thể ngừng hoạt động. Do đó phải có một phương pháp để đảm
bảo quản lý nhiệt được đề xuất trong giai đoạn thiết kế biến tần. Để đạt được hiệu quả
tối đa, việc kiểm tra hệ thống làm mát thường xuyên trong suốt thời gian hoạt động
là rất cần thiết và tốt hơn là đảm bảo rằng hệ thống làm mát hoặc thơng gió đang hoạt
động chính xác.. Đối với thiết kế chi phí tối ưu của biến tần, việc tăng tần số chuyển

Cơ sở lý thuyết

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

7

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

mạch có thể làm giảm các giá trị điện cảm và điện dung. Khi tăng tổn thất chuyển
mạch, chi phí làm mát sẽ tăng lên [12].
b. Sự cố bên trong biến tần
Biến tần sẽ phát cảnh báo khi xảy ra ngắn mạch giữa các phần khác nhau của
mạch biến tần. Nguyên nhân chính của những sự cố này là sự kết hợp của hơi ẩm, hư
hỏng ống bọc trên cáp, lỗi lắp đặt và kết nối kém với cáp DC trong bảng điều khiển.
Điều này phổ biến nhất ở những khu vực có độ ẩm cao hoặc gần biển. Trong trường
hợp xảy ra sự cố bên trong biến tần, biến tần sẽ ngừng hoạt động hồn tồn hoặc biến
tần khơng hoạt động ở công suất tối đa. Trong cả hai trường hợp, điện năng bị thất
thốt.
Để giải quyết vấn đề này, chương trình bảo trì phịng ngừa có thể được áp

dụng. Các cảm biến được sử dụng để định lượng các tình huống bức xạ, nhiệt độ và
gió và đo lường sự đáp ứng của toàn bộ hệ thống tại các trạm PV lớn [13].
c. Bộ biến tần không khởi động lại sau sự cố trên lưới
Biến tần phải có khả năng khởi động lại sau sự cố mất cân bằng lưới (nếu
không có lỗi nào khác). Nếu biến tần khơng khởi động lại, nhân viên vận hành phải
khởi động lại hệ thống. Điều này có thể dẫn đến cơng lao động khơng cần thiết, mất
tiền và thời gian. Việc sử dụng một hệ thống giám sát tốt 24/7 là rất quan trọng để
phát hiện ra các sự cố càng nhanh càng tốt. Tất cả các mô-đun PV được liên kết với
biến tần sẽ không thể truyền điện cho đến sự cố được xử lý. Biến tần kết nối lưới
thường có phần mềm để cài đặt tham số và giám sát hệ thống, phần mềm này có các
phương tiện để ghi lại hoạt động của hệ thống và hiển thị trực tuyến một cách từ xa.
Ngồi ra, một số phần mềm có thể chứa các tín hiệu giám sát bên ngồi như bức xạ
và nhiệt độ. Các sản phẩm khác nhau có khả năng khác nhau trong các lĩnh vực và
lĩnh vực này. Hình 2.1 cho thấy một sơ đồ mẫu cho hệ thống giám sát từ xa.

Cơ sở lý thuyết

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

8

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

Hình 2. 1. Hệ thống giám sát biến tần từ xa
d. Việc tìm kiếm điểm MPPT
Hầu hết tất cả các biến tần hiện nay đều hoạt động dựa trên khái niệm Theo
dõi điểm công suất cực đại (MPPT). Chức năng này đã được phát triển với mục đích

tối đa hóa khả năng của biến tần. Do quy mô của các hệ thống PV lớn ngày nay, một
số hàng pin PV được liên kết với nhau theo chuỗi. Tuy nhiên, không phải tất cả các
chuỗi đều tạo ra cùng một lượng điện do nhiều yếu tố như bóng che, cách đặt khác
nhau, lỗi trong bảng điều khiển, v.v. Các chuỗi cung cấp giá trị điện áp khác nhau và
sự khác biệt giữa các chuỗi liên tục thay đổi. Thuật toán MPPT được thiết kế theo
cách mà biến tần luôn được kết nối với điện áp cung cấp tối ưu nhất mặc dù có những
sự khác biệt này trong điện áp của chuỗi pin PV.
Chu kỳ điều khiển của MPPT có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất sản xuất
điện và tính ổn định của hệ thống PV. Sơ đồ mẫu và đồ thị để mô tả hệ thống theo
dõi MPPT được hiển thị trong Hình 2.2

Cơ sở lý thuyết

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

9

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

Hình 2. 2. Hệ thống theo dõi điểm MPPT
2.2.2. Sự phát triển của các bộ biến tần thông minh
Khi xem xét các vấn đề trên, ta thấy rằng bộ biến tần PV thông thường khơng
có tính linh hoạt để quản lý khối lượng lớn năng lượng tái tạo và quản lý độ tin cậy
của hệ thống. Hầu hết các biến tần thông thường tự động ngắt kết nối khỏi mạng ở
các điện áp hoặc tần số cụ thể.
Trong tiêu chuẩn IEEE 1547 đưa ra các yêu cầu về ngắt kết nối hoàn toàn của
biến tần trong một số giá trị điện áp. Nếu có sự sụt giảm hoặc tăng đột biến điện áp

đạt đến biên độ này, biến tần sẽ ngắt khỏi hệ thống. Điều này giống như một sự cố
trên thiết bị bảo vệ được lắp đặt trên bộ nạp và kết quả là mất điện tồn bộ. Các biến
tần thơng minh linh hoạt cho những trường hợp này và có thể ngăn ngừa các trường
hợp tương tự. Khi các biến tần thơng thường tắt, các biến tần thơng minh có thể tiếp
tục cho phép dòng điện chạy qua. Bộ biến tần thơng minh có các thành phần có thể
lập trình từ xa cho phép điều khiển tốc độ dốc, đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi
một cách chính xác. Hơn nữa, chúng sẽ không chỉ cắt ra như các biến tần truyền thống
vì các ngưỡng chỉnh định của chúng có thể điều chỉnh được.
Biến tần thơng minh cho phép giao tiếp hai chiều với các trung tâm điều khiển
phân phối. Ngoài ra, các khả năng tiên tiến như cảm biến điện áp và tần số cho phép
bộ biến tần thông minh phát hiện các bất thường của lưới điện và gửi phản hồi đến

Cơ sở lý thuyết

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

10

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

các nhà khai thác vận hành. Hình 2.3 dưới đây cho thấy một sơ đồ khối chung của hệ
thống biến tần PV thông minh.

Hình 2. 3. Cấu trúc khối chung của các bộ biến tần thông minh
2.2.3. Chức năng của biến tần thông minh
Xem xét các chức năng và yêu cầu của biến tần thông minh để giải quyết đầy
đủ các vấn đề thường gặp của biến tần, nó có thể được định nghĩa thành hai phần:

chức năng ổn định hệ thống điện và chức năng dựa trên giao tiếp để cải thiện sự thân
thiện với người sử dụng. Hình 2.4 cho thấy các chức năng phụ của cả hai loại.

Hình 2. 4. Chức năng của bộ biến tần thông minh

Cơ sở lý thuyết

HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

11

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

a. Chức năng ổn định hệ thống điện
Để đạt được độ ổn định, hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện cao hơn,
cũng như để cải thiện các thuật toán điều khiển, việc trang bị cho các bộ biến tần với
các tính năng “thơng minh” là rất quan trọng. Theo một số nghiên cứu, bảy chức năng
biến tần thông minh được liệt kê trong Hình 2.5 có thể ổn định hệ thống điện

Hình 2. 5. Bảy chức năng ổn định hệ thống điện
b. Các chức năng dựa trên giao tiếp để cải thiện sự thân thiện với người dùng

Hình 2. 6. Các chức năng dựa trên giao tiếp
2.2.4. Mơ hình biến tần thông minh cho PV và BESS
Cơ sở lý thuyết

HV: Nguyễn Trọng Tài



Luận văn Thạc sĩ

12

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

Một bộ biến tần thông minh được sử dụng để kết nối đầu ra DC của các nguồn
năng lượng phân phối (DERs) như PV và BESS vào lưới AC với các chức năng hỗ
trợ lưới điện. Chức năng này bao gồm việc sử dụng các chức năng công suất phản
kháng để cung cấp sự điều chỉnh điện áp cục bộ phù hợp đối với các biến động điện
áp do tính khơng liên tục của DERs. Trong phạm vi luận văn này, tôi xem xét chức
năng Volt/VAr của bộ biến tần thông minh cho cả PV và BESS để cải thiện khả năng
tiếp nhận công suất của mạng điện phân phối.
Chế độ chức năng Volt/VAr của bộ biến tần thơng minh có thể cung cấp một
lượng công suất phản kháng nhất định dựa trên điện áp cục bộ theo đường cong cài
đặt điều khiển, như được hiển thị trong Hình 2.7.

Hình 2. 7. Đường cong cài đặt điều khiển Volt/Var
Từ đường cong cài đặt điều khiển này, bộ biến tần thông minh không cung cấp
bất kỳ công suất phản kháng nào trong khoảng deadband (d). Nếu điện áp thấp hơn
v2, bộ biến tần thông minh hoạt động ở chế độ cung cấp công suất phản kháng dương.
Ngoài ra, nếu điện áp cao hơn v3, bộ biến tần thông minh hoạt động ở chế độ hấp thụ
công suất phản kháng âm. Hơn nữa, khi điện áp nằm giữa v1 và v2 cũng như v3 và
v4, bộ biến tần thông minh cung cấp và hấp thụ công suất phản kháng tương ứng theo
hàm số độ dốc (m). Thông thường, các điểm cài đặt điều khiển của bộ biến tần thông
minh được đặt với các giá trị mặc định [14]. Trong luận văn này, các điểm cài đặt
điều khiển tối ưu (v1, v2, v3 và v4) cho cả bộ biến tần thông minh PV và BESS được
Cơ sở lý thuyết


HV: Nguyễn Trọng Tài


Luận văn Thạc sĩ

13

GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải

xác định dựa trên khoảng dead band (d), độ dốc (m) và điện áp tham chiếu (Vr), được
biểu diễn như sau:
v1 

2  m  vr  d  m  2  Qmax
2 m

(2.5)

v2 

2  vr  d
2

(2.6)

v3 

2  vr  d
2


(2.7)

v4 

2  m  vr  d  m  2  Qmax
2 m

(2.8)

Trong đó Qmax là khả năng phát công suất phản kháng cực đại của biến tần thông
minh (kVAr), được xác định dựa trên thông số của biến tần được sử dụng thực tế,
trong đó ví dụ loại pin được chọn là Jinko Tiger Pro 520W JKM-520M-7TL4-TV.
Mỗi tấm pin có thể phát được cơng suất đỉnh 520W, bài toán được dùng ở đây là nhà
máy PV có quy mơ 20.000 tấm pin nên Pmax là 20.000x520W tức xấp xỉ 10MW, hệ
số cos = 0.8 nên công suất phản kháng của mỗi nhà máy PV lần lượt là Qmax =
Ptan = 7.5MVar.
Chế độ chức năng Volt/VAr của bộ biến tần thơng minh có thể tạo ra cơng suất
phản kháng bằng cách sử dụng chế độ ưu tiên công suất tác dụng (watt) hoặc chế độ
ưu tiên công suất phản kháng (Var). Trong chế độ ưu tiên công suất watt, công suất
hoạt động được ưu tiên hơn công suất phản kháng. Do đó, bộ biến tần thơng minh
khơng tạo ra công suất phản kháng khi bộ biến tần thông minh hấp thụ hoặc cung cấp
công suất hoạt động với công suất đầy đủ. Trong chế độ ưu tiên công suất VAr, công
suất phản kháng được ưu tiên hơn việc tạo ra công suất hoạt động. Điều này được
thực hiện bằng cách giảm công suất hoạt động khi không đủ để tạo ra công suất phản
kháng trong bộ biến tần thơng minh. Tuy nhiên, chế độ này lãng phí công suất hoạt
động đã tạo ra. Công suất phản kháng đầu ra của bộ biến tần thông minh phụ thuộc

Cơ sở lý thuyết


HV: Nguyễn Trọng Tài