Chất lượng điện năng của lưới điện thông minh được kiểm soát như thế nào?

Với việc tích hợp rộng rãi các nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng sinh khối vào mạng lưới phân phối dưới các hình thức phát điện phân tán, vi mô và các trạm phát điện nhỏ và vừa (bao gồm các trạm tích năng và trạm sạc xe điện), lưới điện thông minh trong bối cảnh mới đang phải đối mặt với nhiều vấn đề mới. Cấu trúc kiểm soát chất lượng điện trong kiến trúc lưới điện thông minh chủ yếu bao gồm các thành phần như phát điện phân tán, mạng truyền tải và phân phối, phụ tải điện, thiết bị bù chất lượng điện, v.v.

Với việc tích hợp rộng rãi các nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng sinh khối vào mạng lưới phân phối dưới các hình thức như phát điện phân tán, vi mô lưới (microgrids) và các trạm điện nhỏ và vừa (bao gồm trạm lưu trữ năng lượng và trạm sạc xe điện), lưới điện thông minh trong bối cảnh mới đang đối mặt với nhiều vấn đề mới. Cấu trúc kiểm soát chất lượng điện trong kiến trúc lưới điện thông minh chủ yếu bao gồm các thành phần như nguồn phát điện phân tán, hệ thống truyền tải và phân phối, phụ tải tiêu thụ điện, thiết bị bù cải thiện chất lượng điện, v.v. Một mặt, với vai trò là động lực cốt lõi thúc đẩy tích hợp năng lượng mới, việc tích hợp rộng rãi các thiết bị chuyển đổi điện tử công suất đã tạo ra những đặc điểm và vấn đề mới về chất lượng điện trong hệ thống truyền tải và phân phối, đòi hỏi phải giải quyết khẩn cấp. Mặt khác, sự đa dạng, phi tuyến và tác động của các phụ tải ở phía tiêu thụ điện ngày càng gia tăng, khiến việc sử dụng hiệu quả điện năng trở thành một vấn đề cấp bách. Những vấn đề mới này vừa mang lại cơ hội, vừa đặt ra thách thức cho công nghệ kiểm soát chất lượng điện. Là trung tâm của lưới điện thông minh, vi mô lưới là một hệ thống phi tuyến phức tạp kết nối đa dạng nguồn năng lượng. Các nguồn điện phân tán bên trong nó có những đặc điểm như gián đoạn, phức tạp, đa dạng và không ổn định. Các vấn đề và đặc điểm mới về chất lượng điện ngày càng trở nên nổi bật hơn. Do đó, một trong những vấn đề trọng tâm cần được nghiên cứu và giải quyết kịp thời nhằm đảm bảo vận hành an toàn và ổn định cho mạng phân phối khi kết nối vi mô lưới chính là vấn đề chất lượng điện
Phân loại các thiết bị bù chất lượng điện
Công nghệ điều khiển bù chất lượng điện có thể được chia thành công nghệ điều khiển chủ động và công nghệ xử lý bị động. Đối với các vấn đề khác nhau về chất lượng điện, các thiết bị bù tương ứng được phân loại và giới thiệu. Công nghệ điều khiển bị động kìm chế hoặc giải quyết các vấn đề chất lượng điện như sóng hài, công suất phản kháng và mất cân bằng ba pha bằng cách đấu nối tiếp hoặc song song các bộ bù điện tử công suất bổ sung. Các thiết bị bù bao gồm chủ yếu là bộ lọc công suất thụ động (PPF), bộ lọc công suất chủ động (APF), bộ lọc công suất chủ động lai (HAPF), bộ bù công suất phản kháng, bộ phục hồi điện áp động (DVR) và bộ điều chỉnh chất lượng điện tích hợp (UPQC)... Trong đó, bộ bù chất lượng điện dựa trên bộ chuyển đổi đa mức mô-đun (MMC) đang trở thành điểm nóng nghiên cứu và xu hướng tương lai của công nghệ quản lý chất lượng điện áp trung bình và cao nhờ cấu trúc tầng ghép mô-đun điện áp thấp. Công nghệ điều khiển chủ động liên quan đến việc thiết bị điện hoặc nguồn điện phân tán thay đổi đặc tính trở kháng đầu vào hoặc đầu ra để cân bằng chức năng quản lý chất lượng điện. Công nghệ điều khiển chất lượng điện chủ động không chỉ nâng cao tỷ lệ sử dụng điện năng mà còn cải thiện toàn diện chất lượng điện của hệ thống mà không cần thêm các bộ bù bổ sung.
2. Các phương pháp điều khiển cho các bộ bù chất lượng điện
Hiện nay, các bộ bù chất lượng điện chủ yếu sử dụng các bộ chuyển đổi loại nguồn điện áp hoặc loại nguồn dòng điện. Các phương pháp điều khiển dòng điện thường dùng cho các bộ bù chủ yếu bao gồm: điều khiển độ trễ (hysteresis control), điều khiển không bậc (step-free control), điều khiển dự báo mô hình, điều khiển tỷ lệ tích phân (PI), điều khiển tỷ lệ cộng hưởng (PR), điều khiển lặp và điều khiển bền vững phi tuyến, v.v. Ngoài ra, bằng cách cải tiến phương pháp điều khiển dòng điện truyền thống, hiệu suất điều khiển của chế độ điều khiển đơn có thể được nâng cao. Ví dụ, phương pháp điều khiển kết hợp giữa PI thông thường và PI vectơ có thể đơn giản hóa quá trình phát hiện hài tần. Phương pháp bù phân tần hài, so với phương pháp bù toàn dải truyền thống, cải thiện độ chính xác phát hiện và bù trừ của từng sóng hài, đặc biệt phù hợp với nhiều loại thiết bị lọc công suất chủ động lai áp cao và áp thấp khác nhau, v.v.
3. Phân tích và điều khiển chất lượng điện năng của các trạm điện phân tán quy mô lớn
Với tỷ lệ thâm nhập ngày càng tăng của các trạm điện phân tán quy mô lớn như điện mặt trời và điện gió (ở cấp điện áp 10 kV đến 35 kV), sự tương tác và ghép nối hài tần số do hệ thống trạm điện phân tán chủ yếu gồm nhiều bộ nghịch lưu tạo ra với hệ thống truyền tải và phân phối điện ngày càng trở nên phức tạp. Các hài tần số phát ra từ các trạm điện phân tán thể hiện đặc tính tần số cao và phạm vi tần số rộng. Mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại cộng hưởng, bậc hài tần và khoảng cách truyền tải của một trạm điện phân tán điển hình. Trong quá trình lan truyền hài tần trong lưới điện truyền tải, chúng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như điện dung phân tán trong đường dây truyền tải và điện áp hài tần nền, điều này sẽ gây ra hiện tượng khuếch đại cộng hưởng dòng điện và điện áp. Có hai giải pháp xử lý có thể hạn chế vấn đề cộng hưởng nối tiếp-song song của hài tần dải rộng trong mạng lưới truyền tải, cụ thể là: thay đổi các thông số của mạng lưới truyền tải và triệt tiêu cộng hưởng thông qua các kháng điện nối tiếp; lắp đặt thiết bị lọc công suất chủ động hỗn hợp điện áp cao để giảm hàm lượng dòng điện hài chảy vào lưới điện.