Tóm tắt: Do tính không ổn định của bức xạ mặt trời nên các đặc trưng của nguồn điện mặt trời (ĐMT) cũng luôn bị thay đổi. Điều này có thể gây ra các tác động tiêu cực cho hệ thống điện khi nối các nguồn điện mặt trời lên lưới. Tuy nhiên, với sự phát triển cao của khoa học công nghệ nên hiện nay các vấn đề tiêu cực này đã được giải quyết, nhờ vậy ĐMT đã không ngừng phát triển mạnh mẽ trên phạm vi toàn thế giới.
1. MỞ ĐẦU:
Nguồn ĐMT đề cập trong bài này là nguồn điện do các tấm pin mặt trời (PMT) hấp thụ năng lượng mặt trời (NLMT) và phát ra điện năng (nguồn quang điện, PV). Nguồn điện này đã được biết đến từ rất lâu. Nhưng chỉ mới trong khoảng vài thập niên trở lại đây nó mới trở nên thời sự và phát triển rất mạnh do các yêu cầu cấp bách về ứng phó với hiện tượng biến đổi khí hậu và đặc biệt là do giá PMT giảm một cách rất kịch tính. Nếu như cách đây khoảng 10 năm, suất đầu tư hệ ĐMT vào khoảng 8.000-10.000 USD/kWp và giá điện mặt trời khoảng 20 - 25 UScents/kWh, thì hiện nay các giá trên giảm xuống tương ứng chỉ còn 1.000- 1.300 USD/kWp và 8-15 UScents/ kWh. Vì vậy, phát triển nguồn ĐMT để dần thay thế các nguồn điện hóa thạch đã trở thành một xu thế mạnh mẽ trên phạm vi toàn thế giới. Trong giai đoạn từ 2010 đến 2015, tổng công suất lắp đặt ĐMT trên thế giới đã tăng 5,7 lần, từ 40 GWp năm 2010 lên 227 GWp năm 2015, với tốc độ tăng trung bình hàng năm là 36,9% (xem hình dưới).
Công nghệ ĐMT phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay là công nghệ ĐMT nối lưới. Hình 2 là sơ đồ cấu trúc một hệ nguồn ĐMT nối lưới. Nguyên lý làm việc của hệ nguồn như sau.
Hàng ngày, khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào dàn PMT, dàn pin sẽ phát ra điện năng của dòng điện một chiều DC. Qua Bộ biến đổi điện (BĐĐ) hay Inverter, dòng điện DC được biến đổi thành dòng điện xoay chiều AC có điện áp, tần số, pha… giống như các thông số tương ứng trên lưới điện. Dòng điện AC này có thể cấp trực tiếp cho các tải hoặc cũng có thể cấp lên lưới điện. Đối với các hệ ĐMT có công suất lớn (hàng chục, hàng trăm MW) thì hệ ĐMT thường được nối lưới điện truyền tải. Còn đối với các hệ ĐMT công suất nhỏ hơn (hàng chục kW đến một số MW) thì chúng thường được nối vào lưới điện khu vực hay lưới điện phân phối.
Dưới đây, chúng ta tập trung vào cấu hình hệ ĐMT nối vào lưới điện phân phối, trong đó hệ ĐMT có thể là hệ hộ gia đình, công suất dàn pin trong khoảng 3kWp đến 10kWp. Các hệ ĐMT sẽ được đấu nối vào lưới điện tại điểm đấu nối ở phía sau máy biến thế khu vực có công suất không quá lớn. Do đó tác động của hệ ĐMT sẽ trở thành những vấn đề rõ rệt hơn.
Hình 2- Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ nguồn điện mặt trời nối lưới
Các hệ ĐMT sẽ cấp điện trước hết cho các tải trong lưới phân phối. Có thể xảy ra 2 tình huống sau:
1. Trong các khoảng thời gian nắng tốt, như trong các ngày mùa hè, các nguồn ĐMT sẽ sản xuất điện với công suất lớn, các tải có thể sử dụng không hết. Số điện dư thừa sẽ được phát lên lưới.
2. Ngược lại, vào ban đêm hay các ngày không có hoặc nắng yếu, các hệ nguồn ĐMT sản xuất không đủ điện cho các tải. Khi đó lưới điện sẽ cấp điện bổ sung cho các tải tiêu thụ. Nhờ các công tơ điện M1 và M2 trên sơ đồ (hoặc có thể thay bằng công tơ điện 2 chiều) người ta có thể xác định chính xác lượng điện mà các hệ ĐMT phát/bán lên lưới cũng như lượng điện các tải lấy/mua từ lưới. Như vậy, ta thấy rằng, để hệ thống trên vận hành được thì cần phải có các điều kiện cần thiết sau đây:
- Các chủ đầu tư hệ ĐMT được quyền nối và tải điện lên lưới điện do một công ty lưới điện nào đó quản lý.
- Giữa chủ đầu tư hệ ĐMT và công ty lưới điện phải có hợp đồng mua bán điện dài hạn, trong đó giá mua và bán điện phải được ghi rõ ràng và được đảm bảo bởi pháp luật hiện hành.
- Về mặt kỹ thuật, các thông số đặc trưng của hệ ĐMT (như điện áp, tần số, pha, sóng hài…) phải phù hợp với các thông số tương ứng của lưới điện để khi nối hệ ĐMT vào lưới, toàn bộ hệ thống làm việc bình thường, không gây ra bất cứ can nhiễu hay sự cố nào ảnh hưởng đến chất lượng điện và dịch vụ cung cấp điện của công ty lưới điện.
2. NHỮNG VẤN ĐỀ KHI NỐI HỆ NGUỒN ĐMT VÀO LƯỚI
2.1. Đặc điểm của hệ nguồn ĐMT
Như ta biết, các hệ ĐMT có rất nhiều ưu việt như:
- “Nhiên liệu” của hệ ĐMT là ánh sáng mặt trời, là nguồn nhiên liệu tự nhiên, sạch và vô tận, có thể khai thác tự do. Nguồn nhiên liệu “lộ thiên” này có khắp mọi nơi trên bề mặt quả đất. Vì vậy, hệ nguồn ĐMT có thể xây dựng hầu như trên khắp các địa phương trên mặt đất.
- Hệ ĐMT hoạt động không gây ô nhiễm môi trường do không có tiếng ồn, không phát ra các chất thải độc hại (với hệ ĐMT nối lưới không dùng ắc quy). Ngoài ra, hệ hoạt động tin cậy, an toàn, chi phí vận hành, bảo trì, bảo dưỡng rất thấp.
Do các ưu việt trên nên nguồn ĐMT chính là một trong các nguồn năng lượng tái tạo có thể thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch. Nó sẽ là một nguồn năng lượng chính của nhân loại trong thế kỷ 21 và trong tương lai. Phát triển ĐMT vì vậy là một xu thế có tính tất yếu.
Tuy nhiên, nguồn ĐMT cũng có thể sinh ra một số vấn đề phải giải quyết khi nối chúng lên lưới điện. Các vấn đề này có nguồn gốc từ đặc tính không ổn định của nguồn ĐMT.
Như đã biết, ngay tại một vị trí xác định trên mặt đất, NLMT cũng luôn thay đổi theo thời gian trong ngày, thay đổi theo mùa và theo thời tiết như mưa, mây mù, nhiệt độ… Kết quả là công suất và điện năng cũng như các thông số điện đặc trưng của nguồn ĐMT cũng luôn bị thay đổi. Sự không ổn định này sẽ có thể ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện và gây ra các tác động không mong muốn khác cho lưới điện như được chỉ ra dưới đây.
2.2. Các vấn đề khi nối các hệ ĐMT vào lưới điện
a. Quá điện áp và dưới điện áp
Như đã nói, khi cường độ NLMT thay đổi thì cả dòng điện và điện áp của hệ ĐMT đều thay đổi, trong đó sự thay đổi của dòng điện là nhạy và mạnh mẽ hơn. Vì vậy, khi có nắng to, điện áp các hệ ĐMT phát lên lưới có thể sẽ tăng, vượt quá giới hạn điện áp trên cho phép của lưới điện. Hiện tượng này gọi là quá điện áp. Ngược lại, khi không có nắng hoặc nắng yếu do một nguyên nhân nào đó như đám mây bay qua, cơn mưa đột ngột… điện áp các hệ ĐMT giảm và có thể gây ra sự giảm/sụt điện áp của lưới điện xuống dưới giá trị giới hạn điện áp cho phép. Hiện tượng này gọi là dưới điện áp. Sự tăng hay giảm điện áp ra ngoài giới hạn cho phép sẽ gây ra sự hoạt động không bình thường của các máy móc, thiết bị điện và có thể dẫn đến hư hỏng.
b. Sự mất cân bằng điện áp
Đó là hiện tượng biên độ điện áp của các pha trong hệ thống 3 pha không bằng nhau hoặc sự lệch pha không chính xác bằng 1200. Sự mất cân bằng pha xảy ra khi công suất của các hệ ĐMT nối lên các pha của lưới điện không cân bằng nhau. Nhưng cũng có thể do công suất và điện năng mà các nguồn ĐMT nối vào các pha phát ra khác nhau do thời tiết (ví dụ như cường độ NLMT) không như nhau trên các hệ ĐMT nối vào các pha. Sự mất cân bằng pha về điện áp có thể dẫn đến sự thay đổi về tần số dòng điện, tác động xấu đến hoạt động của các tải là động cơ và các thiết bị điện tử công suất như làm tăng nhiệt độ rotor, gây ra tiếng ồn, rung lắc… Nói riêng, các BĐĐ có chứa các thành phần nhạy với sự mất cân bằng pha điện áp làm cho nó hoạt động không ổn định.
c. Sóng hài
Sóng hài là các thành phần sóng có tần số là bội nguyên của tần số sóng điện cơ bản. Ví dụ, sóng điện công nghiệp có tần số sóng là 50Hz, thì các thành phần sóng có tần số 100, 150, 200Hz… là các sóng hài bậc 2, 3, 4… ứng với các bội số là 2, 3 và 4… Nguyên nhân gây ra sóng hài là do sự hoạt động của các thành phần điện tử có trong nguồn ĐMT như BĐĐ, các chuyển mạch điện tử điều khiển… và cũng có thể do các thiết bị trong hệ tải của nguồn ĐMT. Các sóng hài sẽ gây ra sự biến dạng của sóng điện cơ bản và dẫn đến sự hoạt động không bình thường của các thiết bị như giảm hiệu suất, phát nhiệt làm nóng thiết bị, thiết bị bị rung lắc, có tiếng ồn…
d. Sự cô lập không mong muốn
Sự cô lập không mong muốn là hiện tượng hệ nguồn ĐMT vẫn làm việc, tiếp tục cung cấp điện cho các tải khi mà mạng lưới bị cắt khỏi hệ ĐMT do một sự cố nào đó. Sự cô lập không mong muốn có thể gây ra các tai nạn về điện cho cho công nhân vận hành, bảo dưỡng hệ thống, làm hư hỏng thiết bị điện.
e. Sự thăng giáng tần số
Khi có sự cân bằng giữa điện năng phát ra và điện năng tiêu thụ thì tần số dòng điện sẽ ổn định. Tuy nhiên đối với các hệ ĐMT sự cân bằng này có thể bị phá vỡ do công suất phát của ĐMT phụ thuộc vào bức xạ mặt trời. Khi xảy ra sự mất cân bằng cung - cầu này sẽ có thể dẫn đến sự thăng giáng về tần số dòng điện, ảnh hưởng đến chất lượng điện, ảnh hưởng đến hoạt động và chất lượng sản phẩm của một số dây chuyền sản xuất công nghiệp. Điều này sẽ càng trầm trọng hơn nếu công suất ĐMT nối lên lưới càng lớn.
f. Nhiễu do thâm nhập dòng DC
Như đã biết, điện do các dàn PMT phát ra là dòng điện một chiều DC. Đối với đa số các BĐĐ hiện nay không dùng biến thế nên nếu không có thiết kế đặc biệt, dòng DC có thể thâm nhập qua BĐĐ, gây ra sự méo mó dạng sóng điện trên lưới dẫn đến sự hoạt động không bình thường của thiết bị tiêu thụ điện và có thể dẫn đến hư hỏng.
g. Tăng hệ số công suất điện dự phòng
Một trong các yếu tố gây ra sự đắt đỏ cho ĐMT là do cần phải bố trí nguồn điện năng dự phòng (không phải là ĐMT) với công suất khá lớn. Vì như đã biết, các hệ nguồn ĐMT chỉ làm việc khi có nắng và công suất cũng như điện năng phát của nó rất nhạy với cường độ bức xạ mặt trời. Vì vậy, để hệ thống điện hoạt động an toàn, liên tục cần có các nguồn điện dự phòng để phát điện bổ sung lên lưới trong các thời gian mà nguồn NLMT yếu hay không có (như ban đêm).
Tùy theo dung lượng lưới điện, tỷ lệ công suất ĐMT và công suất máy biến thế của lưới phân phối, mà công suất dự phòng có thể chiếm tỷ lệ từ 5% đến trên 20%. Ngoài ra, một yêu cầu quan trọng khác là các nguồn dự phòng cần phải có thời gian đáp ứng đủ nhanh, nếu không mạng điện có thể bị sự cố “sập” ngẫu nhiên.
