Kĩ thuật nhà máy điện mặt trời công nghệ quang - điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Năng lượng mặt trời hiện nay là một trong các dạng năng lượng tái tạo được sử dụng tại các nước với các nhà máy điện mặt trời sử dụng công nghệ quang điện. Bài viết cung cấp thông tin toàn cảnh về các xu hướng về mặt kĩ thuật hiện đang áp dụng tại các nhà máy điện mặt trời công suất lớn đang vận hành trên thế giới.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kĩ thuật nhà máy điện mặt trời công nghệ quang - điện

KĨ THUẬT NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG NGHỆ QUANG - ĐIỆN PGS.TS. NGUYỄN HỮU PHÚC Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP. HCM TÓM TẮT hành phù hợp của nhà máy với hệ thống điện. Năng lượng mặt trời hiện nay là một trong Các thành phần cơ bản trong NMĐMT: các tấm các dạng năng lượng tái tạo được sử dụng tại các PV, biến tần và máy biến áp. nước với các nhà máy điện mặt trời sử dụng công 2.1. Tấm pin mặt trời nghệ quang điện. Cùng với xu thế trên, các nhà Các tế bào năng lượng mặt trời được đấu máy điện mặt trời được đưa vào vận hành sẽ là nối tiếp và đóng gói trong tấm PV, và hiệu suất một thành phần trong các nguồn phát điện trong của các tấm PV tùy thuộc vào vật liệu chế tạo nước trong thời gian tới. Các thành phần chủ chúng. Các tế bào năng lượng mặt trời trên nền yếu như các tấm pin mặt trời, biến tần, biến áp vật liệu silic gồm có: loại đơn tinh thể (c-Si) và trong một nhà máy điện mặt trời công suất lớn loại silic đa tinh thể (m-Si), hiện nay có hiệu được trình bày và phân tích trong bài báo cùng suất biến đổi quang- điện gần 20%. Các tế bào với các sơ đồ đấu nối bên trong, cũng như sơ đồ năng lượng mặt trời công nghệ màng mỏng sử các thanh góp đấu nối một nhà máy điện mặt dụng vật liệu silic vô định hình (a-Si) có hiệu trời với hệ thống điện. Qua các số liệu, bài báo suất khoảng 6.9% đến 9%. Các tế bào năng cung cấp thông tin toàn cảnh về các xu hướng về lượng mặt trời màng mỏng sử dụng các vật liệu mặt kĩ thuật hiện đang áp dụng tại các nhà máy khác như đồng Indium Diselenide (CuInSe2- điện mặt trời công suất lớn đang vận hành trên CIS), và Cadmiun Telluride (CdTe) có hiệu suất thế giới. lần lượt khoảng 15% và 12%. 1. GIỚI THIỆU Công nghệ c-Si và m-Si đã và đang chiếm Bài báo xem xét các sơ đồ đấu nối của nhà máy thị phần lớn trong những năm qua do hiệu suất điện mặt trời NMĐMT (PVPP= PhotoVoltaic tương đối cao, tính hiệu quả trong diện tích đất Power Plants) với định nghĩa sau, theo Ủy Ban được sử dụng, tính ổn định của kĩ thuật vật liệu Năng Lượng Quốc tế (International Energy này theo thời gian, độ tin cậy cao và nguồn vật Agency): nhà máy quy mô nhỏ NMĐMT-CSN liệu dồi dào. Hạn chế chính của công nghệ này là (SS-PVPP= Small- Scale PVPP) với công suất giá thành cao trong sản xuất và lượng lớn vật liệu nằm trong khoảng 250 kW đến 1 MW; nhà được sử dụng. Ngược lại, công nghệ màng mỏng máy qui mô công suất lớn NMĐMT-CSL (LS- cũng có một số ưu điểm như giá thành thấp hơn, PVPP= Large-Scale PVPP) với công suất nằm hiệu suất chuyển đổi năng lượng khá hơn trong trong khoảng 1 MW đến 100 MW; nhà máy điều kiện bức xạ mặt trời thấp và có hệ số nhiệt qui mô công suất rất lớn MĐMT-CSRL (VSL- độ thấp. Nhược điểm chính của công nghệ này PVPP= Very-Large-Scale PVPP) với công suất trong NMĐMT là diện tích đất sử dụng nhiều từ 100 MW đến nhiều GW. Trong bài viết sau sẽ hơn, hiệu suất và hiệu quả của nhà máy do đó giới thiệu về các đặc điểm chính của các thành thấp hơn, tính ổn định theo thời gian kém hơn, phần trong NMĐMT, về các kĩ thuật tấm pin và sự khan hiếm của vật liệu chế tạo. mặt trời (tấm PV= photovoltaic panels), biến Hiệu suất chuyển đổi năng lượng các tấm tần, cấp điện áp và máy biến áp thường sử dụng, PV ảnh hưởng lớn đến diện tích đất sử dụng cũng như về các sơ đồ đấu nối của các nhà máy của một dự án NMĐMT-CSL. Với cùng công điện mặt trời ở các qui mô công suất khác nhau suất đặt, NMĐMT-CSL với công nghệ tấm [1], [2], [3]. PV có hiệu suất thấp hơn sẽ có diện tích đất 2. CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA sử dụng của dự án cao hơn, điều này dẫn đến NMĐMT chi phí lắp đặt, vận chuyển, bảo dưỡng cũng sẽ Các thành phần điện chính trong nhà máy cao hơn. Hình 1. minh họa mối quan hệ giữa NMĐMT có ba nhiệm vụ: i) chuyển đổi năng hiệu suất của các loại pin mặt trời khác nhau lượng mặt trời thành năng lượng điện, ii) đấu theo các công nghệ vật liệu chế tạo khác nhau nối NMĐMT với lưới điện, iii) đảm bảo sự vận (m-Si, CIS, CdTe, a-Si), cũng như diện tích đất BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 3
sử dụng, với cùng một công suất đặt 100 MW điện (2πfgrid), uC biên độ của dợn sóng điện áp. của NMĐMT-CSL. Hình 1 cho thấy công nghệ Ví dụ, với UMPP= 35 V, uC = 3.0 V, PMPP= 160 W, silic đa tinh thể (m-Si) có hiệu suất cao hơn CPV= 2.4 mF song song với tấm PV. Giá trị CDC, (12-18%) so với hiệu suất của công nghệ màng khi nối song song với tầng biến đổi dc-ac, sẽ là mỏng (7-9%), do đó diện tích đất sử dụng của 33 μF ở 380 V, với biên độ của dợn sóng điện áp NMĐMT-CSL với công nghệ m-Silic nhỏ hơn 20 Vcho cùng công suất các tấm PV. gần hai lần, so với công nghệ silic vô định hình. Hình 3. Vị trí khác nhau của tụ cách li. a) tụ song song với các tấm PV, với biến tần loại một tầng. b) tụ song song với các tấm PV, hay song song với bộ biến đổi dc-ac, trong biến tần loại hai tầng. 2.2.3 Biến áp: Biến tần có thể dùng biến áp tần số cao trong mạch biến đổi dc-dc hay trong mạch biến đổi dc-ac, hoặc dùng biến áp tần Hình 1. Hiệu suất (%) và Diện tích đất sử dụng (km2) của số công nghiệp đấu nối với lưới điện, hay loại NMĐMT-CSL công suất 100 MW, khi sử dụng các tấm PV không dùng biến áp (Hình 4). Nhược điểm của với công nghệ vật liệu khác nhau biến áp tần số công nghiệp đấu nối với lưới điện là kích thước lớn, nặng nề, chi phí cao so với 2.2. Biến tần PV biến áp tần số cao. Hình 5 là biến tần loại không Biến tần PV là các thiết bị điện tử công suất dùng biến áp. chuyển đổi từ dòng điện một chiều từ các tấm PV thành dòng điện xoay chiều để đấu nối với lưới điện xoay chiều. Biến tần PV có thể phân Hình 4. Biến áp trong các bộ biến tần PV. a) biến áp tần loại theo: số tầng biến đổi công suất, vị trí tụ điện số công nghiệp (LFT= low-frequency transformer) đấu cách li công suất (power decoupling capacitors), nối điện áp ac của biến tần với điện áp lưới. b) biến áp có hay không có biến áp. tần số cao (HFT= high- frequency transformer) tích hợp với bộ biến đổi ac-ac nối lưới ac. c) biến áp tần số cao 2.2.1 Theo số tầng: biến tần thuộc loại 1 (HFT) tích hợp với bộ biến đổi ac-dc nối lưới dc. tầng, hay 2 tầng chuyển đổi như trong các Hình 2.a), 2.b), 2.c). Hình 5. Biến tần PV điện áp cao không dùng biến áp với Hình 2. Phân loại biến tần PV theo số tầng: a) loại một tầng, bộ lọc kiểu nối chung (CM= common-mode) và kiểu vi sai bao gồm các chức năng MPPT (maximum power point track- (DM= differential mode). ing= kĩ thuật dò tìm điểm công suất cực đại), tăng áp, điều khiển dòng ra lưới. b) loại hai tầng, với bộ biến đổi dc-dc tích hợp MPPT và bộ biến đổi dc-ac điều khiển dòng ra lưới. Bộ Trong thực tế, các NMĐMT-CSL thường tăng áp được tích hợp trong cả hai tầng biến đổi công suất. c) dùng sơ đồ với máy biến áp như trên Hình 6, loại hai tầng, với chuỗi các tấm PV đấu nối với bộ biến đổi dc- trong đó các máy biến áp tần số công nghiệp dc riêng lẻ, trước khi đấu nối chung vào bộ biến đổi dc-ac. T1,…Tn đóng vai trò tăng áp từ điện áp thấp (LV, thông thường 0.4 kV) lên trung áp (MV, từ 2.2.2 Theo vị trí tụ điện cách li công suất: 13.8 kV đến 46 kV) và vai trò cách li giữa các Hình 3.a), 3.b) cho thấy tụ điện hóa cách li công biến tần trên từng chuỗi (string) của hệ thống suất loại điện môi film mỏng được nối song các tấm PV với các thanh cái riêng rẻ MV. Qua song với các tấm PV (CPV) hay trong mạch dc trung gian của sơ đồ đấu nối nội bộ (internal nối với tầng dc-ac (CDC). Giá trị tụ C cho bởi PV plant grid configuration), điện áp tại thanh C= , trong đó PPV là công suất định cái MV chung được tăng áp tiếp qua máy biến mức của các tấm PV, UC là giá trị trung bình áp T-HV và sau đó, được đấu nối vào lưới điện của điện áp trên tụ C, ωgrid là tần số góc của lưới truyền tải điện áp HV 110 kV. 4 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
Thường dùng máy biến áp T với 3 cuộn dây mảng có thể gồm hàng trăm chuỗi nối song với các biến tần PV công suất lớn hơn 500 kW, song, và mỗi chuỗi lại gồm hàng trăm tấm PV trong đó hai cuộn dây điện áp thấp (LV) đấu nối nối tiếp. Trong sơ đồ đấu nối chuỗi (Hình 7.b) với hai biến tần, và cuộn dây thứ ba với thanh một chuỗi các tấm PV nối tiếp sẽ được nối với cái trung áp (MV). Với các biến tần PV công một biến tần. Trong sơ đồ nhiều chuỗi (Hình suất nhỏ hơn 500 kW thường dùng máy biến áp 7.c) một chuỗi các tấm PV nối với bộ biến đổi hai cuộn dây. Biến áp T-HV thường là loại hai dc-dc, sau đó 4 hoặc 5 bộ biến đổi dc-dc sẽ được cuộn dây (MV-HV) với nhóm vectơ Yy. đấu nối với một biến tần. Sơ đồ module ac tích hợp (ac module integrated) (Hình 7.d) sử dụng mỗi biến tần công suất nhỏ cho mỗi tấm PV. Hình 6. Máy biến áp T(LV-MV) và T-HV(MV-HV) trong nhà máy NMĐMT-CSL 3. SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI NỘI BỘ Sơ đồ đấu nối các bộ biến tần PV với các tấm PV được cho trên Hình 7, và với các máy Hình 8. Các kiểu sơ đồ đấu nối máy biến áp với thanh cái biến áp trong Hình 8, thường được bố trí theo trung áp. a) Biến tần tập trung với máy biến áp ba cuộn 3 kiểu chính: i) sơ đồ tập trung (central), ii) dây, b) Biến tần nhiều chuỗi với máy biến áp hai cuộn dây sơ đồ chuỗi (string), và iii) sơ đồ nhiều chuỗi (multistring). Các yếu tố công suất, địa điểm lắp đặt, chi phí, hiệu năng của nhà máy PVPP sẽ Bảng 1 là đặc tính của các biến tần được sử quyết định sơ đồ đấu nối được chọn. dụng trong các sơ đồ trên, với tên gọi tương 3.1. Các kiểu sơ đồ đấu nối nội bộ: ứng: biến tần tập trung, biến tần chuỗi, biến tần nhiều chuỗi và biến tần module tích hợp. Bảng 1. Thông số của các loại biến tần PV Điện Loại Điện áp áp vào Tần số biến P(kW) ra MPPT (Hz) tần (V) (V) Tập 100- 400-1000 270-400 50, 60 trung 500 Chuỗi 0.4-5 200-500 110-230 50, 60 Nhiều 2-30 200-800 270-400 50, 60 chuỗi Hình 7. Các loại biến tần PV (a) Tập trung, (b) Chuỗi, (c) Module 0.06- 20-100 110-230 50, 60 Nhiều chuỗi, (d) Module ac tích hợp tích hợp 0.4 Hình 7 và Hình 8 lần lượt cho thấy sơ đồ Bảng 2 đánh giá các loại biến tần theo 4 yếu đấu nối giữa các tấm PV với bộ biến tần, và bộ tố: các đặc tính chung, tổn thất công suất, chất biến tần (LV) với thanh cái (MV) qua máy biến lượng điện, chi phí. áp. Trong sơ đồ đấu nối tập trung (Hình 7.a) Xét về mục đánh giá về các đặc tính chung một hệ thống với vài ngàn tấm PV bố trí trong loại biến tần tập trung có độ tin cậy thấp, kém nhiều mảng (arrays) và nhiều chuỗi (strings) tính linh động, hiệu suất MPPT thấp, trong khi được đấu nối tập trung vào một biến tần. Mỗi tính ổn định cao hơn so với các loại khác. BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 5
Mục tổn thất công suất đánh giá hiệu quả làm việc của biến tần theo các yếu tố: sự không tương thích về đặc tính của các tấm PV (do các hiện tượng già hóa tấm PV theo thời gian, hiện tượng bóng che, bụi bám, mức độ thông gió, hiệu suất MPPPT), quá trình chuyển mạch, tổn thất ac, tổn thất dc. Theo tiêu chí này, biến tần tập trung có tính tương thích kém do nhiều chuỗi PV được nối vào chỉ một biến tần, tổn thất chuyển mạch cao, tổn thất mạch dc cao do nhiều chuỗi nối song song, trong khi tổn thất mạch ac lại thấp, vì vị trí đặt máy biến áp rất gần với các biến tần. Xét về mục chất lượng điện cung cấp, biến tần tập trung có mức biến thiên điện áp dc rất cao (H- H) do có nhiều chuỗi nối song song, trong khi mức biến thiên điện áp ac thấp, độ cân bằng điện áp cao do sơ đồ chỉ sử dụng một biến tần. Điện áp dễ mất cân bằng, đặc biệt khi có nhiều biến tần nối song song, như trong trường hợp của sơ đồ module tích hợp. Do ảnh hưởng các yếu tố tổn thất do khoảng cách, sụt điện áp, điện áp 3 pha tại vị trí đấu nối với máy biến áp Tn có thể mất cân bằng. Vì thế, khi có nhiều biến tần nối song song, cần thiết có bộ điều khiển trung tâm cho nhóm các biến tần song song nhằm giảm thiểu mức biến thiên điện áp ac, và do đó cải thiện mức cân bằng điện áp 3 pha. Bảng 2. Các yếu tố đánh giá của các loại biến tần PV Ghi chú: H: cao, L: thấp, H-H: rất cao, L-L: rất thấp Tập trung Chuỗi Nhiều chuỗi Module tích hợp Độ tin cậy L H M H-H Tính ổn định H L M L-L Đặc điểm chung Tính linh động L H M H-H Hiệu suất MPPT L H M H-H Tính không tương H L L L-L thích Tổn thất công Chuyển mạch H L M L-L suất Tổn thất ac L M M H Tổn thất dc H L M L-L Biến thiên L H M H-H điện áp ac Biến thiên Chất lượng điện H-H M H L-L điện áp dc Mức cân bằng điện H M L L áp Lắp đặt M H M H-H Cáp dc H L M L-L Chi phí Cáp ac H M M H Bảo trì L M M H-H So sánh theo mục chi phí với các loại biến tần khác nhau, các yếu tố chi phí lắp đặt, chiều dài cáp dc và ac, chi phí bảo trì, chi phí sử dụng đất, được cho trong Bảng 2. Hình 9 minh họa ưu nhược điểm các sơ đồ biến tần khác nhau trong nhà máy NMĐMT- CSL, xét theo 4 mục kể trên. Tóm lại, sơ đồ đấu nối tập trung có những ưu điểm nổi bật sau: độ ổn định cao, tổn thất điện năng ac thấp, biến thiên điện áp ac thấp và chi phí lắp đặt và bảo trì hợp lý khi so sánh với các sơ đồ khác. Sơ đồ chuỗi và nhiều chuỗi có nhiều ưu điểm trong mục các đặc điểm chung, nhưng nhược điểm chính là ở chi phí lắp đặt và bảo trì cao hơn, khi số lượng biến tần tăng lên. Sơ đồ chuỗi có các ưu điểm tương tự như sơ đồ nhiều chuỗi và được quan tâm sử dụng, đặc biệt khi các chuỗi tấm PV lại có các góc Hình 9. So sánh ưu- nhược điểm các sơ đồ biến tần nghiêng lắp đặt khác nhau. khác nhau của nhà máy NMĐMT-CSL 6 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
Cho đến nay, trong thực tế của các nhà máy NMĐMT-CSL, sơ đồ module tích hợp chưa được áp dụng rộng rải, tuy có những ưu điểm về tính linh hoạt, hiệu suất MPPT, và độ tin cậy. Tuy vậy, tổn thất điện năng, chất lượng điện và tổng chi phí là các nhược điểm mà nhà đầu tư cần cân nhắc, khi có ý định áp dụng sơ đồ này. 3.2. Phân tích số liệu cho các nhà máy NMĐMT-CSL đang vận hành Bảng 3 là các số liệu của 24 nhà máy NMĐMT-CSL đang trong thực tế vận hành tại các nước, với phạm vi công suất từ 6 MWp đến 290 MWp, về các phương diện diện tích đất sử dụng (km2), số tấm PV, công nghệ vật liệu PV, số lượng biến tần PV sử dụng (thiêt bị của các công ti SMA, ABB, SunPower, Danfoss), loại biến tần. Với 17/22 nhà máy sử dụng sơ đồ tập trung cho thấy sơ đồ tập trung thường được sử dụng phổ biến, do tính khả thi cao và số biến tần sử dụng ít hơn. Bảng 3 cũng cho thấy sơ đồ đấu nối nhiều chuỗi ít dùng, trong khi diện tích đất sử dụng tương đương. Bảng trên cho thấy công nghệ vật liệu các tấm PV trong các nhà máy PVPP chủ yếu là m-Si và màng mỏng, với diện tích đất sử dụng các nhà máy NMĐMT-CSL với công nghệ màng mỏng lớn gấp hai lần, so với các nhà máy NMĐMT-CSL sử dụng công nghệ m-Si. Ngoài ra, số lượng biến tần sử dụng phụ thuộc vào sơ đồ đấu nối, trong đó với sơ đồ nhiều chuỗi sử dụng số lượng khá lớn biến tần. Bảng 3. Số liệu các NMĐMT-CSL đang vận hành Số Công suất Diện tích Số tấm Loại biến Stt NMĐMT Vật liệu lượng (MWp) (km2) PV (*103) tần biến tần 1 Korat I 6.0 0.13 29 m-Si 540 M 2 Narbonne 7.0 0.23 95 Thin film 19 C 3 Rapale 7.7 0.49 100 Thin film 900 M 4 Airport, Athens 8.1 0.16 29 m-Si 12 C 5 Saint Amadou 8.5 0.24 113 Thin film 16 C Volkswagen 6 9.5 0.13 33 m-Si 10 C Chattanoga m-Si, Thin 7 Masdar 10 0.22 87 16 C film 8 Adelanto 10.4 0.16 46 m-Si 13 C 9 Taean 14 0.30 70 m-Si 28 C 10 Jacksonville 15 0.40 200 Thin film 20 C 11 San Antonio 16.0 0.45 214 Thin film 22 C 12 Cotton Center 18.0 0.58 93 m-Si 36 C 13 Almaraz 22.1 1.2 126 m-Si 6697 M 14 Veprek 35.1 0.83 185 c-Si 3069 M 15 Long Island 37.0 0.80 164 m-Si 50 C 16 Reckahn 37.8 0.98 487 Thin film 43 C 17 Ban Pa-In 44.0 0.80 160 m-Si 61 C 18 Lieberose 71.0 2.2 900 Thin Film 38 C 19 Kalkbult 75.0 1.05 312 m-Si 84 C 20 Eggebek 80.0 1.29 76 m-Si 3200 M 21 Montalto di Castro 85.0 2.83 280 c-Si 124 C 22 Templin 128 2.14 1500 Thin Film 114 C California Valley 23 250 6.01 749 c-Si 500 C Ranch 24 Agua Caliente 290 9.71 5200 Thin Film 400 C Lấy ví dụ trường hợp 3 nhà máy Veprek, Long Island và Reckahn có công suất đặt MWp tương đương, lần lượt là 35.1, 37.0 và 37.8 MWp (Bảng 4). BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 7
Bảng 4. So sánh số liệu 3 NMĐMT-CSL Diện tích Stt Tên nhà máy Công suất đỉnh Số tấm PV Vật liệu Số biến tần Loại biến tần (km2) 14 Veprek 35.1 0.83 185 000 c-Si 3069 M 15 Long Island 37.0 0.80 164 000 m-Si 50 C 16 Reckahn 37.8 0.98 487 000 Thin film 43 C Hai nhà máy Veprek và Long Island có diện tích đất sử dụng gần như nhau, tuy có sơ đồ đấu nối khác nhau, lần lượt là sơ đồ nhiều chuỗi và tập trung, và các tấm PV sử dụng công nghệ vật liệu khác nhau, c- Si và m-Si. Số lượng biến tần PV sử dụng trong nhà máy Veprek là 3069, trong khi của nhà máy Long Island chỉ là 50. So sánh với nhà máy Reckahn sử dụng các tấm PV công nghệ màng mỏng theo sơ đồ tập trung với công suất MWp tương đương với 2 nhà máy trên, có thể thấy nhà máy này có diện tích đất 20% nhiều hơn so với nhà máy Long Island, và số lượng tấm PV gấp 3 lần nhiều hơn, nhưng số lượng biến tần không khác nhau nhiều. Hình 10. So sánh suất chi phí (Euros/kW), hiệu suất (%), mật độ công suất (kW/km2) cho 3 sơ đồ biến tần khác nhau (tập trung, nhiều chuỗi, đa tập trung- multicentral). Hình 11. So sánh diện tích đất sử dụng (km2) và số tấm PV sử dụng theo sơ đồ đấu nối NMĐMT-CSL (tập trung, nhiều chuỗi) 8 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
Hình 10 và Hình 11 lần lượt so sánh suất chi phí (Euros/kW), hiệu suất (%), mật độ công suất (kW/km2) cho 3 sơ đồ biến tần khác nhau (tập trung, nhiều chuỗi, đa tập trung- multicentral), cũng như diện tích đất sử dụng (kW/km2) và số tấm PV sử dụng theo sơ đồ đấu nối NMĐMT-CSL (tập trung, nhiều chuỗi). Chi phí đầu tư sẽ quyết định việc lựa chon sơ đồ đấu nối, công nghệ vật liệu các tấm PV, hiệu suất mong muốn, diện tích đất sử dụng, vị trí và giá đất. 4. SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI THANH GÓP (COLLECTION GRID TOPOLOGIES) Cho đến nay có rất ít thông tin về sơ đồ đấu nối thanh góp phía điện áp ac cũng như dc của các nhà máy NMĐMT-CSL đang vận hành. Trong phần sau sử dụng thuật ngữ máy phát PV (PV generator) (Hình 12.a)) cho tổ hợp bao gồm nhiều dãy (array) các tấm PV, nối đến biến tần và máy biến áp đấu nối vào thanh cái MV. 4.1. Sơ đồ hình tia (radial) Hình 12. a). Máy phát PV, b). Sơ đồ đấu nối thanh góp hình tia Hình 12.b) trình bày sơ đồ hình tia, với nhiều máy phát PV nối lần lượt đến một thanh góp chung MV của xuất tuyến. Phần lớn các NMĐMT-CSL dùng sơ đồ này do tính dơn giản và chi phí thấp, tuy vậy độ tin cậy cấp điện thấp. Trong trường hợp máy phát PV phía đầu xuất tuyến bị sự cố và cắt ra, cả chuỗi sau đó bị ảnh hưởng. Một ví dụ cho sơ đồ này được dùng bởi Công Ty Danfoss với các biến tần đấu nối theo sơ đồ nhiều chuỗi, cho một NMĐMT-CSL 15 MWp. Nhà máy có 2 xuất tuyến 7.5 MW/xuất tuyến, và mỗi xuất tuyến gồm 5 trạm biến áp 1.5 MVA. Phía hạ áp của máy biến áp được nối đến 88 biến tần nhiều chuỗi nối song song. Khi một biến tần bị sự cố, điều này không ảnh hưởng nhiếu đến việc sản xuất điện, nhưng khi một trạm biến áp bị sự cố và cắt ra, công suất của nhà máy chỉ còn 50%. 4.2 Sơ đồ mạch vòng (ring) Sơ đồ mạch vòng (Hình 13) có độ tin vậy cấp điện cao hơn, tuy có chi phí và độ phức tạp cao. Khi một máy phát PV trên mạch vòng bị sự cố cắt ra, các máy phát còn lại trên mạch vòng vẫn tiếp tục làm việc. Một ví dụ cho sơ đồ này được dùng bởi Công Ty Danfoss với các biến tần đấu nối theo sơ đồ nhiều chuỗi, cho một NMĐMT-CSL 10 MWp, với 15 trạm biến áp. Phía hạ áp của máy biến áp được nối đến 42 biến tần nhiều chuỗi nối song song. Khi một biến tần bị sự cố, chỉ một bộ phận nhỏ của mạch vòng bị ảnh hưởng (dưới 1%), và khi một trạm biến áp trong mạch bị sự cố và cắt ra, công suất của nhà máy sẽ giảm đi 6.3%. 4.3 Sơ đồ hình sao (star) Theo sơ đồ này, thanh cái của mỗi máy phát PV được nối đến thanh góp chung. Thông thường, thanh góp này được bố trí nằm khoảng giữa nhà máy NMĐMT-CSL để giảm chiều dài cáp nối, bảo đảm tổn thất đồng đều giữa chúng (Hình 14). BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 9
Giải pháp này có độ tin cậy cao hơn các sơ đồ trên. Tuy vậy, việc có một xuất tuyến cho mỗi máy phát PV làm tăng tổng chi phí. Một ví dụ cho NMĐMT-CSL 21 MWp của Công Ty Renewable Energy ở Nam Phi sử dụng sơ đồ này, với 8 trạm biến áp, phía hạ áp mỗi biến áp được nối tới 3 biến tần loại tập trung. Trong trường hợp này, nếu một trạm biến áp bị sự cố, việc sản xuất điện sẽ bị ảnh hưởng 14%. Khi dùng biến tần nhiều chuỗi, mức độ ảnh hưởng đến sản xuất điện sẽ giảm đi nhiều, chỉ vào khoảng 4%, khi có bất kì biến tần nào bị sự cố. Hình 13. Sơ đồ đấu nối thanh góp mạch vòng. a) loại 1 và b) loại 2 Bảng 4 tóm tắt các phần tử cơ bản, sơ đồ đấu nối, sơ đồ đấu nối nội bộ của các nhà máy NMĐMT-CSL. 5. KẾT LUẬN Trong bài báo này đã trình bày các đặc điểm chính của các thành phần cơ bản cho nhà máy NMĐMT-CSL. Ngoài ra, các sơ đồ đấu nối nội bộ và thanh góp cũng được đề cập với chi tiết. Các Bảng 1 đến Bảng 4 với các ví dụ vận hành thực tế của các nhà máy NMĐMT-CSL trên thế giới cho thấy các đánh giá về các yếu tố ảnh hưởng đến diện tích đất sử dụng, hiệu suất và độ tin cậy khi lựa chọn thiết kết một nhà máy NMĐMT-CSL. Từ các đánh giá này, có thể rút ra một số kết luận: • Công nghệ vật liệu dụng của các tấm PV quyết định diện tích đất sử dụng trong các dự án nhà máy điện mặt trời. Các tấm PV với công hơn và kích thước nhỏ đặc biệt thích hợp hơn cho NMĐMT-CSL, vì điều này sẽ giúp giảm chi phí lắp đặt và diện tích đất sử dụng. Hiện nay, các tấm PV công nghệ vật liệu silic có hiệu suất tốt hơn công nghệ màng mỏng và được sử dụng rộng rải. Tuy vậy, công nghệ tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng đang được cải thiện và dự kiến có nhiều NMĐMT-CSL hơn sẽ sử dụng công nghệ này do giá thành thấp hơn, so với các tế bào mặt trời silic đơn hoặc đa tinh thể. • Biến tần PV loại một tầng với khả năng cách li về điện giữa biến tần và lưới điện là công nghệ ổn định, do đó hiện nay được sử dụng rộng rãi trong NMĐMT-CSL. Biến tần PV loại hai tầng có thể là giải pháp trong tương lai cho NMĐMT-CSL với khả năng giảm các biến thiên điện áp phía dc. • Hiệu quả vận hành của NMĐMT-CSL phụ thuộc nhiều vào các biến tần PV, và cho đến nay các biến tần PV đang sử dụng đều đáp ứng các tiêu chuẩn điện với chức năng hỗ trợ lưới về công suất phản kháng còn hạn chế. Xu hướng phát triển trong tương lai của nhà máy NMĐMT-CSL là phải hướng đến việc nhà máy NMĐMT-CSL sẽ làm việc như bất cứ nhà máy điện thông thường khác, về khía cạnh hỗ trợ công suất tác dụng và công suất phản kháng cho hệ thống điện. • Sơ đồ đấu nối rất quan trọng đối với hiệu quả của NMĐMT-CSL. Sơ đồ tập trung hiện nay vẫn được sử dụng trong phần lớn các NMĐMT-CSL, với ưu điểm đơn giản trong lắp đặt với số lượng giảm thiểu cho các thành phần trong nhà máy. Tuy vậy, hạn chế của sơ đồ tập trung là hiệu quả của việc điều khiển MPPT kém và điều này ảnh hưởng đến sản lượng điện phát ra của nhà máy, do tính không tương thích trong đặc tính của các tấm PV trong điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi. Sơ đồ dạng chuỗi có hiệu suất tổng thể tốt hơn, do việc điều khiển MPPT được thực hiện độc lập, riêng rẻ trên từng chuỗi, tuy vậy số lượng lớn các biến tần phải sử dụng và độ phức tạp của sơ đồ lại là một nhược điểm. 10 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
• Máy biến áp hai cuộn dây thường được sử dụng trong NMĐMT-CSL cho đến nay, với biến tần PV loại tập trung. Hiện nay, máy biến áp ba cuộn dây được sử dụng nhiều cho phép đấu nối với hai biến tần PV trung tâm, và việc điều khiển được thực hiện độc lập. Trong sơ đồ biến tần nhiều chuỗi, máy biến áp hai cuộn dây thường được sử dụng. Hình 14. Sơ đồ hình sao. a) loại 1 và b) loại 2 • Các sơ đồ đấu nối thanh góp ac về các mặt tổn thất, độ tin cậy và kinh tế đã được trình bày trong bài báo, với thực tế sơ đồ hình tia vẫn được sử dụng nhiều trong các nhà máy, do chi phí cáp thấp nhất. Dự đoán trong tương lai, sơ đồ hình tia hay mạch vòng sẽ được sử dụng rộng rải cùng với giải pháp thanh góp dc, thay vì thanh góp ac như hiện nay. • Tương lai phát triển của NMĐMT-CSL phụ thuộc vào sự giảm giá, giảm kích thước, cải thiện hiệu quả các thành phần (tấm PV, máy biến áp và biến tần). Một khi giá cả của các thành phần đạt đến ổn định, sơ đồ đấu nối nội bộ và thanh góp sẽ là mối quan tâm trong tương lai, về các khía cạnh chi phí, độ bền, độ tin cậy và tính linh hoạt. Bảng 4. Tóm tắt các thành phần cơ bản, sơ đồ đấu nối, sơ đồ đấu nối nội bộ của NMĐMT-CSL Thành phần cơ bản Sơ đồ đấu nối Sơ đồ đấu nối Sơ đồ đấu nối Tấm PV Biến tần PV Máy biến áp nội bộ thanh góp m-Si Một tầng (dc-ac) Tập trung Hình tia c-Si Hai tầng (dc-dc-ac) Hai cuộn dây Chuổi Công nghệ Mạch vòng Màng Cách li hay đấu nối Ba cuộn dây Nhiều chuỗi Hình sao mỏng trực tiếp với lưới điện AC tích hợp Công nghệ m-Si và Số liệu Tập trung đang được sử Màng Một tầng (dc-ac) Ba cuộn dây hiện nay chưa dụng nhiều mỏng được đầy đủ Tổn thất do chuyển mạch Hiệu suất Hiệu suất Hiệu suất Kích thước Hiệu suất Vấn đề điều khiển Biến thiên điện Độ tin cậy Các mối Chi phí Chi phí Qui định đấu nối áp Tổn thất quan ngại Công suất Tính ổn (grid codes) Chi phí lắp đặt Chi phí định Cách li với lưới điện Chi phí bảo trì Giá cả TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ana Cabrera-Tobara,*, Eduard Bullich-Massagu´ea, M`onica Arag¨u´es-Pe~nalbaa, Oriol Gomis-Bellmunta; Topologies for Large Scale Photovoltaic Power Plants; Proceedings of Renewable and Sustainable Energy, November 20, 2015 [2]. Soeren Baekhoej Kjaer, Member, IEEE, John K. Pedersen, Senior Member, IEEE, and Frede Blaabjerg, Fellow ; A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules; IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No. 5, September/ October 2005 [3]. ABB Technical Application Papers No.10 Photovoltaic Plants; http://www04.abb.com/global/seitp/seitp202.nsf/ c71c66c1f02e6575c125711f004660e6/d54672ac6e97a439c12577ce003d8d84/$FILE/Vol.10.pdf BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 11