(Luận văn thạc sĩ) đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió

Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của con người, nhưng chúng là nguồn nguyên liệu không bền vững Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch không chỉ góp phần vào biến đổi khí hậu mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người Bên cạnh đó, các nguồn nhiên liệu này đang dần cạn kiệt, vì vậy cần nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời.

Năng lượng mặt trời tại Việt Nam, đặc biệt từ vĩ tuyến 17 trở vào phía Nam, có bức xạ ổn định và dồi dào trong suốt cả năm, chỉ giảm khoảng 20% trong mùa mưa Số giờ nắng hàng năm ở miền Bắc dao động từ 1.500 đến 1.700 giờ, trong khi miền Trung và miền Nam có số giờ nắng cao hơn, từ 2.000 đến 2.600 giờ.

Hình 1.1 Tổng công suất năng lượng mặt trời năm 2014 và công thêm năm 2015[0]

Năm 2016, toàn cầu đã bổ sung ít nhất 75GW năng lượng mặt trời, tương đương với việc lắp đặt hơn 31.000 tấm pin năng lượng mặt trời mỗi giờ.

Việt Nam sở hữu tiềm năng năng lượng mặt trời lớn với số giờ nắng bình quân ở miền Bắc đạt từ 1.800 đến 2.100 giờ mỗi năm, trong khi miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, có số giờ nắng từ 2.000 đến 2.600 giờ mỗi năm Điều này cho thấy miền Nam có nguồn ánh sáng mặt trời phong phú quanh năm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển năng lượng tái tạo này.

Vùng Giờ nắng trong năm

Cường độ BXMT (kWh/m 2 ,ngày) Ứng dụng Đông Bắc 1600 - 1750 3,3 – 4,1 Trung bình

Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt

Trung bình cả nước 1700 - 2500 4,6 Tốt

Bảng 1.1 Giá trị trung bình cường độ bức xạ mặt trời ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam [2]

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch và gần như vô tận, có thể dễ dàng ứng dụng ở nhiều nơi, đặc biệt quan trọng tại Việt Nam Trung bình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam đạt khoảng 5kWh/m2/ngày ở các tỉnh miền Trung và miền Nam, trong khi miền Bắc ghi nhận khoảng 4kWh/m2/ngày.

Hiện tại, ở Việt Nam có hai dạng ứng dụng NLMT là:

Nhiệt mặt trời là quá trình chuyển đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, được ứng dụng trong các hệ thống như chưng cất nước, sấy, bếp đun năng lượng mặt trời và hệ thống đun nước mặt trời.

Điện mặt trời (ĐMT) tại Việt Nam chủ yếu sử dụng công nghệ quang điện SPV (Solar Photovoltaic hay PV) Các mô hình ứng dụng phổ biến hiện nay bao gồm hệ thống điện mặt trời trên mái nhà, điện mặt trời tập trung và điện mặt trời nối lưới.

+ Hệ thống phát điện mặt trời độc lập: quy mô hộ gia đình, hệ thống đèn đường và hệ thống điện nối lưới điện cục bộ

+ Hệ thống phát điện bằng NLMT nối lưới điện quốc gia

Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam được ước tính đạt 513.360 MW, gấp hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La Con số này bao gồm nguồn gió từ biển, thềm lục địa và đất liền.

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên phong phú và đang được ưu tiên phát triển tại Việt Nam Hiện nay, công nghệ điện gió đang phát triển mạnh mẽ và có sự cạnh tranh lớn Với tốc độ phát triển này, năng lượng điện gió dự kiến sẽ chiếm ưu thế lớn trong thị trường năng lượng toàn cầu trong thời gian không xa.

Năm 2007, EVN đã tiến hành nghiên cứu tiềm năng gió trên toàn quốc, xác định các vùng thích hợp để phát triển điện gió với tổng công suất kỹ thuật đạt 1.785 MW Trong đó, miền Trung Bộ nổi bật với tiềm năng gió lớn nhất cả nước, khoảng 880 MW, chủ yếu tập trung tại hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định Vùng miền Nam Trung Bộ đứng thứ hai với công suất tiềm năng khoảng 855 MW.

MW, tập trung ở hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận [3]

Bộ Công thương và Ngân hàng Thế giới đã cập nhật số liệu quan trắc gió tại ba điểm, cho thấy tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80 m tại Việt Nam đạt trên 2.400 MW với tốc độ gió trung bình năm trên 7 m/s.

Tốc độ gió trung bình

Việt Nam có tiềm năng gió lớn ở độ cao 80 m so với mặt đất, đặc biệt tại tỉnh Bình Thuận Dự án đầu tiên là Nhà máy điện gió Tuy Phong, tọa lạc tại xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, do Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư Dự án này đã được triển khai và chính thức đi vào hoạt động từ ngày 18/4/2012, với kế hoạch giai đoạn 2 sẽ xây dựng và lắp đặt 60 trụ.

Dự án điện gió Tuy Phong sẽ nâng tổng công suất của Nhà máy Phong điện Tuy Phong lên 120 MW với 4 tuabin Tiếp theo, dự án điện gió tại đảo Phú Quý, bao gồm 3 tuabin với tổng công suất 6 MW, đã hoàn thành lắp đặt và thử nghiệm vận hành an toàn Dự án này không chỉ giải quyết tình trạng thiếu điện cho 33.000 dân trên đảo mà còn giúp giảm chi phí sản xuất điện nhờ giảm thời gian hoạt động của nhà máy điện Diesel.

Nhà máy điện gió Bạc Liêu, cùng với nhà máy ở Bình Thuận, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc phát triển ngành công nghiệp phong điện tại Việt Nam Với tiềm năng trở thành nguồn năng lượng chủ lực trong tương lai, nhà máy này hứa hẹn sẽ đóng góp đáng kể vào hệ thống điện quốc gia Ngày 29 tháng 5 năm 2013, nhà máy chính thức đi vào hoạt động, mở ra nhiều cơ hội cho năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Nhà máy điện gió Bạc Liêu đã hòa lưới điện quốc gia với 10 tua bin điện gió đầu tiên có công suất 16 MW, sản lượng điện đạt khoảng 56 triệu kWh/năm Nằm dọc theo đê Biển Đông từ phường Nhà Mát đến ranh giới tỉnh Sóc Trăng, nhà máy chiếm tổng diện tích gần 500 ha Khi hoàn thành toàn bộ, nhà máy sẽ có tổng công suất 99,2 MW, dự kiến cung cấp khoảng 320 triệu kWh điện cho lưới điện quốc gia mỗi năm.

Tổng quan tình hình nghiên cứu

Việc tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời vào lưới điện đang trở thành xu hướng phát triển toàn cầu, nhằm khai thác nguồn năng lượng sạch và giảm ô nhiễm môi trường Các hệ thống tích hợp này thường được áp dụng trong các dự án nhỏ với công suất vài chục mvar, nhưng hiện nay đã được mở rộng đến các ứng dụng lớn với công suất lên đến vài trăm mvar nhờ sự tiến bộ của khoa học công nghệ Việc hòa lưới và kết hợp với nguồn năng lượng từ các nhà máy thủy điện và nhiệt điện là xu hướng tất yếu Tại Việt Nam, nghiên cứu về hệ thống tích trữ năng lượng mặt trời và điện gió đã được triển khai, tuy nhiên, việc khai thác tiềm năng này vẫn còn nhiều thách thức.

5 nguồn năng lượng này ở Việt Nam còn chưa đáng kể Hầu hết các dự án điện mặt trời chỉ ở quy mô nhỏ

Hiện nay, mô hình điện mặt trời ở Việt Nam vẫn còn ở quy mô nhỏ, với trạm điện lớn nhất phát điện từ 100kWp đến 154kWp Dự án điện mặt trời đầu tiên được nối lưới là Nhà máy quang năng An Hội tại Côn Đảo, Bà Rịa - Vũng Tàu, hoàn thành vào tháng 12/2014 với công suất 36 kWp và sản lượng hơn 50 MWh Tiếp theo, vào ngày 29/8/2015, dự án Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân được khởi công xây dựng, có công suất 19,2 MW và tổng mức đầu tư 800 tỷ đồng, tọa lạc trên diện tích 24 ha tại xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi, với nguồn vốn vay trong nước và nước ngoài.

Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng gió và năng lượng mặt trời, việc đánh giá sự ổn định của hệ thống điện khi tích hợp các nguồn năng lượng này trở nên cực kỳ cần thiết Từ những năm 1920, sự ổn định của hệ thống điện đã được coi là một vấn đề quan trọng cho vận hành an toàn Nhiều sự cố mất điện lớn đã chỉ ra tầm quan trọng của vấn đề này, với sự không ổn định do quá độ trở thành thách thức chính của hầu hết các hệ thống điện Khi các hệ thống điện phát triển qua thời gian, việc áp dụng công nghệ mới và tăng cường điều khiển trong điều kiện sự cố đã dẫn đến nhiều hình thức bất ổn định khác nhau, như sự ổn định điện áp và tần số, trở thành những vấn đề lớn hơn so với trước đây Do đó, việc điều khiển ổn định hệ thống điện là một nhiệm vụ thiết yếu trong vận hành hệ thống điện.

Luận văn này đề xuất phương pháp đánh giá sự ổn định của hệ thống điện tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió với công suất lớn, nhằm mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tính bền vững của hệ thống năng lượng tái tạo.

6 cái nhìn tổng quan hơn về tình hình khai thác năng lượng gió và năng lượng mặt trời hiện nay

1.3 Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá ổn định hệ thống điện gồm một máy phát điện nối với thanh cái vô cùng lớn có tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời

- Hệ thống điện một gồm một máy phát điện nối với thanh cái vô cùng lớn

- Hệ thống điện mặt trời

- Hệ thống điện một gồm một máy phát điện nối với thanh cái vô cùng lớn có tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời

Phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ đáng giá ổn định của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp tài liệu và bài báo liên quan đến việc sử dụng Matlab/Simulink trong mô phỏng là cần thiết cho nghiên cứu Bài viết này đánh giá kết quả đạt được từ luận văn và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo cho nghiên cứu.

Đóng góp và điểm mới của luận văn

Trong luận văn này, chúng tôi trình bày một mô hình hệ thống điện bao gồm máy phát điện kết nối với thanh cái lớn, kết hợp với nhà máy điện mặt trời và nhà máy điện gió Mục tiêu của luận văn là đánh giá tính ổn định của hệ thống điện khi tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời.

Nội dung của luận văn

Luận văn được tổ chức như sau:

Chương 2 : Cấu hình và mô hình toán học của hệ thống

Chương 3 : Lý thuyết về ổn định hệ thống

Chương 4 : Đánh giá ổn định hệ một máy kết nối điện mặt trời và điện gió

7 Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển của đề tài Tài liệu tham khảo

Cấu hình hệ thống nghiên cứu

1 Cấu hình của hệ thống được dùng để nghiên cứu

Mô hình toán học của hệ thống

2.2.1 Mô hình pin năng lượng mặt trời

2.2.1.1 Tổng quan về pin mặt trời

Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều thông qua hiệu ứng quang điện trong các chất bán dẫn Loại pin mặt trời phổ biến nhất hiện nay sử dụng silic tinh thể Silic tinh khiết là một chất bán dẫn kém dẫn điện do các điện tử bị giam giữ trong cấu trúc mạng Khi được kích thích bởi ánh sáng hoặc nhiệt độ, các điện tử này sẽ thoát ra khỏi liên kết, tạo ra điện tử âm và lỗ trống dương, từ đó cho phép chất bán dẫn dẫn điện.

Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:

Một tinh thể hay đơn tinh thể module có hiệu suất lên tới 16% Loại module này thường có giá thành cao vì được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn thể này thường có các mặt trống ở góc nối giữa các mô-đun.

Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi đúc từ silic nung chảy, sau đó làm nguội và rắn lại Mặc dù loại pin này thường có chi phí thấp hơn so với pin đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của nó lại không cao bằng Tuy nhiên, ưu điểm của đa tinh thể là khả năng tạo thành các tấm vuông có diện tích bề mặt lớn hơn, giúp bù đắp cho hiệu suất thấp của nó.

Dải Silic được sản xuất từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại Silic này có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó lại là lựa chọn tiết kiệm nhất do không cần phải cắt từ thỏi Silicon.

Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại

Pin quang điện bao gồm hai loại bán dẫn P và N, với bề mặt rộng và lớp N mỏng cho phép ánh sáng truyền qua Bề mặt pin được trang bị lớp chống phản xạ nhằm tối ưu hóa việc hấp thụ ánh sáng, trong đó một phần ánh sáng bị hấp thụ, một phần bị phản xạ, và phần còn lại đến lớp chuyển tiếp nơi tạo ra cặp electron và lỗ trống Khi ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào, electron nhận đủ năng lượng để thoát khỏi liên kết, sau đó dưới tác động của điện trường, electron di chuyển về phía bán dẫn loại N và lỗ trống về phía bán dẫn loại P Kết nối hai cực vào hai phần bán dẫn này sẽ tạo ra một hiệu điện thế, giá trị của nó phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn và tạp chất có trong đó.

2.2.1.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:

Tại điểm làm việc U = UOC/ I = 0 và U = 0 / I = I SC , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0

Hình 2.2 Đường đặt tính làm việc U – I của pin mặt trời

Hình 2.3 Sơ đồ tương đương pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng của pin như sau:

I sc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có R s và R sh ) (A/m 2 )

I 01 là dòng bão hòa (A/m 2 ) q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10 -19 k là hệ số Boltzman = 1,38.10 -23 (J/k)

I, V, R s , R sh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs và Rsh của pin trong mạch tương đương ở hình 2.3

Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Nên đường đặc tính

Điện áp V-I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ ánh sáng Mỗi mức bức xạ chỉ có một điểm làm việc tối ưu, được gọi là V = V MPP, tại đó pin đạt công suất lớn nhất Điểm này được minh họa bằng một chấm đen lớn trên hình vẽ, tương ứng với đỉnh của đường cong đặc tính.

Đặc trưng VA của pin mặt trời chịu ảnh hưởng trực tiếp từ cường độ bức xạ Mặt Trời và nhiệt độ của pin, trong đó điện áp hở mạch Voc là yếu tố quan trọng Để hệ thống năng lượng mặt trời (PV) hoạt động hiệu quả, đặc tính của tải cần phải tương thích với điểm công suất tối đa (MPP).

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin

Hình 2.6 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

Trên hình vẽ 2.6, đường OA và OB thể hiện các đường đặc tính tải, trong đó nếu tải kết nối trực tiếp với dãy pin mặt trời, thì đường đặc tính sẽ là OA, với pin hoạt động tại điểm A1 và phát công suất P1 Công suất tối đa thu được từ ánh sáng mặt trời là P2 Để đạt được công suất P2, cần thiết phải có một bộ điều chỉnh công suất để kết nối giữa dãy pin mặt trời và tải.

2.2.1.3 Tấm năng lượng mặt trời

Tấm năng lượng mặt trời được cấu tạo từ 36 đến 72 pin mặt trời nối tiếp, chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng Mỗi pin cung cấp một lượng nhỏ, nhưng khi kết hợp nhiều pin trên diện tích lớn, tạo ra nguồn năng lượng đủ cho các thiết bị điện Công suất của các pin mặt trời dao động từ 30Wp đến 150Wp, với điện áp thường là 12VDC Hệ thống điện năng phụ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin, có thể nối tiếp hoặc song song Để đạt hiệu suất tối ưu, các tấm năng lượng cần được đặt dưới ánh nắng trực tiếp.

Hiệu suất thu năng lượng từ pin mặt trời ở các khu vực và thời điểm trong ngày khác nhau do sự không đồng đều của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời, bao gồm vị trí địa lý, thời tiết và góc chiếu sáng của mặt trời.

Chất liệu bán dẫn làm pin

Vị trí đặt các tấm panel mặt trời

Thời tiết khí hậu, mùa trong năm

Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều

Các tấm năng lượng mặt trời được thiết kế để chịu đựng các điều kiện khí hậu khắc nghiệt như mưa bão, ăn mòn từ nước biển và sự oxi hoá Với tuổi thọ lên tới 25 đến 30 năm, chúng mang lại hiệu quả sử dụng lâu dài cho người tiêu dùng.

2.2.1.4 Cách ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời

Các môđun pin mặt trời được sản xuất với công suất và điện thế cố định Để đạt được công suất và điện thế theo yêu cầu, cần phải ghép nối nhiều tấm môdun lại với nhau Có hai phương pháp ghép nối cơ bản để thực hiện điều này.

Ghép nối tiếp các tấm môđun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn

Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện

Phương pháp ghép nối các tấm modul mặt trời

Hình 2.7 Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b)

Khi các môđun có đặc tính V - A giống hệt nhau và thông số dòng đoản mạch I SC, thế hở mạch V OC bằng nhau, cùng với cường độ chiếu sáng đồng đều trên các tấm, việc ghép nối tiếp các môđun này sẽ tạo ra một hệ thống đồng nhất và hiệu quả.

I, P, V,… là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

I i , V i , P i … là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của môđun thứ i trong hệ

I opi , V opi , P opi … là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của các môđun thứ i trong hệ

I op , V op , P op … là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ

Khi tải có giá trị 0 < R < ∞, các môđun hoạt động như những máy phát tương đương Đường đặc tính vôn – ampe của hệ thống được xác định bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng của từng môđun.

28

Các khái niệm cơ bản

3.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ

HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng

Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:

Các phần tử tự lực đảm nhận vai trò quan trọng trong việc sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng, bao gồm máy phát điện, đường dây tải điện và các thiết bị tiêu thụ điện.

Các phần tử điều chỉnh đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và biến đổi trạng thái hệ thống điện, bao gồm việc điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle và máy cắt điện.

Mỗi phần tử của hệ thống điện (HTĐ) được xác định bởi các thông số vật lý, bao gồm tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp và hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Những thông số này không chỉ phản ánh tính chất của từng phần tử mà còn thể hiện mối liên hệ giữa chúng, cùng với nhiều sự giản ước tính toán khác Các thông số này được gọi chung là các thông số của HTĐ.

Nhiều thông số của hệ thống điện (HTĐ) là phi tuyến, phụ thuộc vào dòng công suất và tần số, như X, Y, độ từ hóa Trong hầu hết các bài toán thực tế, các thông số này có thể được coi là hằng số, dẫn đến hệ thống tuyến tính Tuy nhiên, khi xem xét sự biến đổi của các thông số, hệ thống trở thành phi tuyến Dạng phi tuyến này chỉ cần được xem xét trong một số trường hợp cụ thể, chẳng hạn như khi tính đến độ bão hòa của máy phát và máy biến áp trong các bài toán ổn định.

Chế độ của hệ thống điều khiển (HTĐ) bao gồm các quá trình diễn ra trong hệ thống và xác định trạng thái làm việc của HTĐ tại một thời điểm hoặc trong một khoảng thời gian nhất định.

Các quá trình trong hệ thống điện được đặc trưng bởi các thông số như U, I, P, Q, f, δ tại mọi điểm của hệ thống Những thông số này được gọi là thông số chế độ, khác với thông số hệ thống vì chúng chỉ xuất hiện khi hệ thống điện hoạt động Các thông số chế độ hoàn toàn xác định trạng thái làm việc của hệ thống điện.

Các thông số trong chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, trong đó nhiều mối quan hệ mang tính phi tuyến Chẳng hạn, công thức P = U²/R thể hiện một dạng phi tuyến quan trọng Dạng phi tuyến này không thể bị xem nhẹ trong các bài toán liên quan đến điện lực.

Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:

Chế độ xác lập (CĐXL) là trạng thái mà các thông số dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình, có thể coi chúng như hằng số Tuy nhiên, trong thực tế, không có chế độ nào mà các thông số hoàn toàn bất biến theo thời gian, do hệ thống động (HTĐ) bao gồm một lượng lớn các phần tử luôn biến đổi, dẫn đến sự thay đổi liên tục của các thông số trong chế độ CĐXL được phân chia thành nhiều loại khác nhau.

- CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ

- CĐXL sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố

- Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì

Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhiều Chế độ quá độ gồm có:

- Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang CĐXL bình thường khác

- Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố

3.1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ

Để đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống CĐXL bình thường, cần phải cung cấp điện năng cho các phụ tải với các thông số chất lượng như điện áp và tần số nằm trong giới hạn quy định bởi các tiêu chuẩn hiện hành.

Đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện là điều cần thiết, với các phụ tải nhận điện liên tục và chất lượng ổn định Mức độ liên tục này cần đáp ứng yêu cầu của người tiêu dùng và phù hợp với điều kiện của hệ thống điện.

Chế độ vận hành hệ thống điện cần đảm bảo hiệu quả kinh tế cao và an toàn điện Cụ thể, hệ thống phải thỏa mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng với chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất Đồng thời, phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện, giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện.

CĐXL sau sự cố, yêu cầu là:

Yêu cầu mục a có thể được giảm bớt, nhưng chỉ được phép kéo dài trong thời gian ngắn Sau khoảng thời gian này, cần phải thực hiện biện pháp điều chỉnh thông số chế độ hoặc thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ về trạng thái CĐXL bình thường.

Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là:

Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố

Trong giai đoạn quá độ, các thông số như giá trị dòng điện ngắn mạch và điện áp tại các nút của phụ tải khi xảy ra ngắn mạch vẫn biến đổi trong giới hạn cho phép.

Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ

3.1.2 Khái niệm về ổn định HTĐ

3.1.2.1 Cân bằng công suất Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK) Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ

Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ:

Cho nên các điều kiện cân bằng công suất (3.1) và (3.2) không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng

Trong thực tế, việc tính toán và vận hành hệ thống điện (HTĐ) một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi của công suất tiêu thụ điện (CSTD) và công suất phát điện (CSPK) tuân theo các quy luật riêng biệt, ít ảnh hưởng lẫn nhau.

Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh

3.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng[18] Định nghĩa ổn định theo năng lượng

Hệ ở chế độ xác lập đạt được sự cân bằng giữa năng lượng phát và năng lượng tiêu thụ, với mỗi chế độ tương thích với các thông số xác định trạng thái hệ Khi có nhiễu làm thay đổi các thông số theo hướng khuếch đại, hệ sẽ trở nên không ổn định, đặc biệt khi năng lượng phát vượt quá năng lượng tiêu tán Tiêu chuẩn năng lượng cho sự ổn định của hệ được mô tả qua bất đẳng thức.

Với:  –gia số thông số

W F , W t – số gia năng lượng phát và tiêu tán

Xét hệ thống điện trên hình 3.1, theo tiêu chuẩn năng lượng thì hệ sẽ ổn định nếu:

Hình 3.1: Hệ thống điện đơn giản và sơ đồ tương đương

Tham số trạng thái được đề cập là góc , trong khi năng lượng phát ra được đo bằng công suất cơ P T (công suất tuabin), và năng lượng tiêu tán chủ yếu là công suất của máy phát trả về hệ thống.

Do chấp nhận giả thiết công suất P T không đổi nên biểu thức trên được viết lại:

Có thể kiểm định (3.5) bằng cách lập luận từ hình 3.2 sau:

Giả sử hệ thống ban đầu ở trạng thái ổn định tại góc a Khi có sự kích thích làm tăng góc a, do P lớn hơn PT, rôto sẽ bị kìm hãm lại, dẫn đến sự thay đổi trong góc.

Khi góc  quay về vị trí a, nếu góc  giảm và P < P T, rôto sẽ tăng tốc, dẫn đến góc  quay trở lại vị trí a Do đó, điểm a được xác định là điểm cân bằng và ổn định.

Hình 3.2: Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (đậm)

Tại điểm b, khi góc  tăng lên đến trị số b + , do P < PT, rôto sẽ tăng tốc, dẫn đến việc góc  tiếp tục tăng Do đó, điểm b được xác định là điểm cân bằng nhưng không ổn định.

Nếu hệ thống làm việc tại điểm c thì, giả sử góc  c tăng tới  c + , khi đó do

Khi P lớn hơn P T, góc  sẽ tăng, nhưng nếu  c giảm một lượng , góc  vẫn sẽ tăng và trở về trị  c, cho thấy điểm c là điểm giới hạn ổn định Hệ số công suất đồng bộ được ký hiệu là C, trong đó chỉ số Eq tương ứng với công suất tính theo Eq và áp dụng cho trường hợp máy phát không có tự động điều chỉnh kích từ.

Góc tương ứng với điểm c cho thấy rằng công suất cơ sẽ cắt công suất điện tại một điểm duy nhất Điều này dẫn đến việc hệ thống hiện tại không thể nâng cao công suất.

36 suất cơ lên được nữa vì sẽ không tồn tại chế độ làm việc của hệ Công suất điện từ tại điểm c là: P gh = P max

Miền làm việc ổn định của hệ tương ứng với nửa bên trái của đường cong trên (từ góc 0/2)

3.2.2 Phương pháp dao động bé[18]

Một hệ thống thường được mô tả bởi hệ phương trình vi phân sau: x ̇= f(x 1 , x 2 ,…, x n , u 1 , u 2 ,…, u r , t) Với x – vector trạng thái; u – vector ngõ vào của hệ (nhiễu)

Khai triển phương trình trên vào chuỗi Taylor và bỏ qua các đạo hàm bậc cao

∂x n ∆u r hay viết dưới dạng ma trận: ∆ẋ =A∆x + B∆u

Khi Δu = 0, phương trình mô tả chuyển động tự do được thể hiện qua ∆ẋ = A∆x Trong trường hợp này, giá trị riêng của ma trận được xác định bởi các tham số λ, khi mà phương trình AΦ = λΦ không có lời giải tầm thường.

A là ma trận nxn (đối với hệ thống vật lý như hệ thống điện)

Tìm trị riêng của A =  theo phương trình: (A - I)  = 0

Khi nghiệm là không tầm thường thì: det(A - I) = 0

Việc khai triển định thức cho ra phương trình đặc trưng, m nghiệm  = 1, 2, …,n gọi là những trị riêng của A

Quan hệ giữa nghiệm phương trình đặc trưng và ổn định:

Khi nghiệm là thực sẽ có trạng thái không dao động Nếu nghiệm là thực dương tương ứng với mất ổn định không chu kỳ

Nghiệm phức xuất hiện dưới dạng cặp liên hợp và có trạng thái dao động Nếu phần thực của nghiệm dương, điều này sẽ dẫn đến sự mất ổn định trong dao động.

Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động

Hệ thống điện bao gồm một máy phát được kết nối với thanh cái lớn thông qua hai đường dây truyền tải Thanh cái này đại diện cho một nguồn điện áp có biên độ và tần số ổn định.

Chúng ta sẽ khám phá các khái niệm cơ bản và nguyên lý của ổn định động thông qua việc phân tích phản ứng của hệ thống trước các kích động lớn, sử dụng mô hình đơn giản mà không tính đến điện trở của các phần tử Hệ thống được thể hiện qua hình 3.3, với mô hình tương đương ở hình 3.4a và dạng rút gọn tại hình 3.4b Điện áp sau điện kháng quá độ (X’d) được ký hiệu là E’, trong khi góc rotor  thể hiện góc sớm pha của E’ so với EB Khi hệ thống gặp kích động, biên độ của E’ giữ nguyên so với trước sự cố, trong khi  thay đổi do tốc độ rotor máy phát lệch khỏi tốc độ đồng bộ  0.

Hình 3.3: Mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn a)Mô hình mạch tương đương b)Mạch tương đương rút gọn

Hình 3.4: Biểu diễn hệ thống bằng mô hình máy phát cổ điển

Quá trình quá độ cơ điện trong trường hợp ngắn mạch diễn ra qua ba giai đoạn: trước khi ngắn mạch, trong khi ngắn mạch và sau khi ngắn mạch Để khảo sát sự ổn định động, cần xây dựng các đường đặc tính công suất tương ứng, bắt đầu với đặc tính công suất trước khi xảy ra ngắn mạch.

Công suất điện ngõ ra máy phát là:

X T (3.7) đề cập đến việc bỏ qua điện trở stator, do đó P e đại diện cho công suất khe hở không khí hay công suất đầu cực Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch được sử dụng để tính toán chế độ ban đầu Khi đã biết công suất tải P, Q, E B, cần tính E’,  0 (góc giữa E’ và E B) và CSTD do máy phát phát ra ở chế độ ban đầu P0 Đặc tính công suất khi ngắn mạch cũng cần được xem xét.

39 a)Sơ đồ hệ thống khi bị ngắn mạch tại F, b)Sơ đồ thay thế tương đương, c)Sơ đồ tương đương rút gọn

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch

Trong sơ đồ thay thế tương đương, điểm ngắn mạch F có điện kháng ngắn mạch XF (bỏ qua điện trở) tùy thuộc vào dạng ngắn mạch Để tính toán đường đặc tính công suất, cần biến đổi sơ đồ 3.5b thành sơ đồ rút gọn 3.5c bằng phương pháp biến đổi sao – tam giác.

X F Đường đặc tính công suất sẽ là

Từ (3.8) có thể nhận thấy ảnh hưởng của các dạng ngắn mạch đến đường đặc tính công suất

Khi xảy ra ngắn mạch 3 pha với XF = 0, dẫn đến X’T = ∞ và P II = 0, điều này có nghĩa là công suất điện phát ra bằng 0, làm cắt đứt hoàn toàn liên lạc giữa máy phát và thanh cái nhận điện Tuy nhiên, trên đồ thị, P II thực tế không bằng 0 mà có giá trị rất nhỏ, phản ánh tổn thất CSTD do điện trở của stator máy phát, máy biến áp và đường dây từ máy phát đến vị trí ngắn mạch Trong trường hợp ngắn mạch 2 pha chạm đất, sự liên lạc vẫn tồn tại nhưng rất yếu, khiến đường đặc tính công suất có biên độ thấp hơn so với ngắn mạch 2 pha hoặc 1 pha chạm đất.

So sánh P II và P I ta thấy PImax > P IImax vì XT < X’T

Hình 3.6: Đồ thị đặc tính công suất Đường đặc tính công suất sau khi cắt ngắn mạch

Sau khi cắt ngắn mạch, đường dây bị ngắn mạch được cắt ra khỏi hệ thống, đường dây tải điện chỉ còn lại 1 lộ (hình 3.7)

Hình 3.7: Sơ đồ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch Đường đặc tính công suất: tw blade sin

Biên độ của PIII sẽ nằm giữa PI và P II

Trong một hệ thống ổn định với hai đường dây truyền tải, mối quan hệ giữa góc và công suất được thể hiện qua đường cong 1 Khi công suất cơ ngõ vào Pm bằng công suất điện ngõ ra Pe, điểm làm việc ổn định được xác định tại điểm a trên đường cong, với góc rotor tương ứng là a.

Hình 3.8: Mối quan hệ góc – công suất

Khi một trong hai đường dây bị cắt khỏi hệ thống, điện kháng XT sẽ tăng lên, dẫn đến việc công suất cực đại bị giảm Mối quan hệ giữa góc và công suất được thể hiện qua đường cong 2 trong hình 3.8 Với công suất cơ ngõ vào Pm, góc rotor sẽ là b tương ứng với điểm làm việc b trên đường cong 2; do điện kháng lớn hơn, góc rotor cũng cần lớn hơn để có thể truyền tải cùng một lượng công suất.

Trong thời gian xảy ra sự cố, góc  có sự thay đổi nhưng độ biến thiên tốc độ (r d/dt) vẫn rất nhỏ so với tốc độ đồng bộ 0 Vì vậy, có thể coi tốc độ máy phát gần như không thay đổi.

Trong hệ đơn vị tương đối (pu), 0 và momen đầu cực máy phát được coi là tương đương với công suất đầu cực máy phát Do đó, chúng ta có thể thay thế momen bằng công suất khi thảo luận về phương trình chuyển động của rotor.

= công suất điện cực đại (pu)

= hằng số quán tính (MWs/ MVA)

= thời gian (s) Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ Pm

Trong hệ thống ổn định với hai đường dây truyền tải, chúng ta sẽ phân tích chế độ quá độ khi công suất cơ đột ngột tăng từ P m0 lên P m1 Do quán tính của rotor, góc rotor không thể thay đổi ngay lập tức từ  0 sang  1, tương ứng với điểm cân bằng mới b, nơi mà Pe = P m1 Khi đó, công suất cơ vượt quá công suất điện, dẫn đến momen tăng tốc khiến rotor tăng tốc từ điểm a tới điểm b, trượt theo đường cong P e -  với tỉ lệ được xác định bởi phương trình chuyển động Độ chênh lệch giữa Pm1 và P e tại một thời điểm cụ thể được gọi là công suất tăng tốc.

Hình 3.9: Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ

Khi rotor tiến tới điểm b, công suất tăng tốc giảm xuống 0, nhưng tốc độ rotor vẫn cao hơn tốc độ đồng bộ 0, dẫn đến việc góc rotor tiếp tục tăng Đối với các giá trị của  lớn hơn 1, công suất điện P e vượt quá công suất cơ Pm1, khiến rotor giảm tốc Khi góc rotor đạt giá trị cực đại m tại điểm c, tốc độ rotor bằng tốc độ đồng bộ 0, nhưng do P e vẫn lớn hơn Pm1, rotor tiếp tục giảm tốc xuống dưới 0, di chuyển theo đường cong Pe -  từ điểm c đến b.

Góc rotor dao động xung quanh góc cân bằng mới với biên độ không đổi, như thể hiện trong đồ thị thời gian của  ở hình 3.9b.

Theo phân tích, khi bỏ qua điện trở và các nguồn dập tắt, mô hình máy phát cổ điển cho thấy rotor vẫn dao động sau nhiễu loạn Tuy nhiên, thực tế có nhiều nguồn dập tắt tích cực như sự thay đổi từ thông và các cuộn cản rotor Do đó, nếu xem xét hệ thống với ổn định tín hiệu nhỏ, dao động sẽ bị dập tắt.

3.3.2 Tiêu chuẩn cân bằng diện tích Đối với mô hình hệ thống trên, không nhất thiết phải giải phương trình chuyển động để xác định góc rotor tăng không xác định hay dao động xung quanh vị trí cân bằng Chúng ta có thể sử dụng đồ thị góc – công suất ở hình 3.8 để biết được góc tới hạn m và giới hạn ổn định Mặc dù phương pháp này không thể áp dụng cho hệ nhiều máy với mô hình chi tiết về máy đồng bộ nhưng nó giúp chúng ta hiểu được các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến ổn định động của một hệ thống bất kỳ

Mối quan hệ giữa góc rotor và công suất tăng tốc: d 2 δ dt 2 = ω 0

P e là một hàm không tuyến tính của  vì vậy phương trình trên không thể giải một cách trực tiếp Nếu nhân hai vế cho 2d/dt thì

H dδ dt (3.12) Tích phân cho ra dδ dt

49