(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió

(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió

II

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 3 năm 2019

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Phạm Trung Chính

IV

TÓM TẮT

Luận văn “Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió” đã

hoàn thành với các nội dung nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu về ổn định hệ thống điện

- Nghiên cứu về dự án điện gió Bạc Liêu

ABSTRACT

The thesis “Assessment the stability of power systems integrated with wind power energy” has been completed with the following research contents:

- Research on power system stability

- Research on Bac Lieu wind power project

- Learn about SVC device

- Study the influence of SVC in improving stability in the power system when serious incidents occur

It can be concluded from the simulation results that SVC devices can be applied in power systems to improve voltage stability for the system, especially systems connected to wind power

VI

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ ix

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước 1 1.2 Tính cấp thiết 7

1.3 Mục tiêu của đề tài 7

1.4 Cách tiếp cận 7

1.5 Phương pháp nghiên cứu 7

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu: 7

Chương 2 ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG CÓ KẾT HỢP VỚI ĐIỆN GIÓ 9

2.1 Ổn định trong hệ thống điện 9

2.1.1 Khái niệm ổn định hệ thống điện 9

2.1.2 Các chỉ tiêu ổn định điện áp 11

2.2 Ảnh hưởng của điện gió trong hệ thống điện ….14

2.2.1 Ảnh hưởng chung 14

2.2.2 Ảnh hưởng của nguồn điện gió đến chất lượng điện năng 15

2.2.3 Ảnh hưởng nguồn điện gió đến điện áp lưới điện 19

Chương 3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ SỬ DỤNG SVC 24

3.1 Thiết bị bù SVC 24

3.1.1 Cấu tạo thiết bị bù SVC 24

3.1.2 Nguyên lý hoạt động SVC 25

3.1.3 Mô hình nghiên cứu SVC 27

3.2 Hệ thống điện gió dùng máy phát điện DFIG 28

3.2.1 Cấu hình của hệ thống tua bin gió dựa trên DFIG 28

3.2.2 Mô hình tốc độ gió 29

3.2.3 Mô hình tua bin gió……… 31

3.2.4 Mô hình miêu tả mối quan hệ về khối lượng, độ đàn hồi giữa máy phát và tua bin 32

3.2.5 Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) 32

3.2.6 Mô hình bộ nghịch lưu xung đối 34

3.2.7 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía máy phát……… 34

3.2.8 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía lưới……… 37

3.2.9 Bộ điều khiển góc cánh quạt 39

3.3 Ứng dụng của SVC trong hệ thống điện có kết hợp hệ thống điện gió 40

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ 43

4.1 Giới thiệu về hệ thống điện gió Bạc Liêu……… 43

4.2 Mô phỏng hệ thống điện gió Bạc Liêu………46

4.3 Kết quả mô phỏng hệ thống nghiên cứu……… 46

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

5.1 Kết luận……… 50

5.2 Kiến nghị……… ……… 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 51

SVC: Static VAR Compensator - Tụ bù tĩnh có dung lượng thay đổi

FACTS: Flexible Alternating Current Transmission System - Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

PCC: Điểm kết nối chung

MBA: Máy biến áp

DFIG: Doubly-Fed Induction Generator (Hệ thống điện gió dùng máy phát điện cảm ứng kích từ kép)

RSC: Bộ nghịch lưu phía rotor

GSC: Bộ nghịch lưu phía lưới

WT: Wind turbine (Tua bin gió)

MATLAB: Matrix Laboratory

Simulink: Công cụ mô phỏng đi kèm với phần mềm MATLAB

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Atlas tiềm năng gió Việt Nam tại độ cao 80m, 2010 6

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại ổn định của hệ thống điện………9

Hình 2.2 Đường cong QV sử dụng biến Q phụ tải thay đổi………13

Hình 2.3 Mô hình nguồn điện gió nối lưới và biểu đồ pha điện áp……….15

Hình 2.4 Biểu đồ pha điện áp……… 18

Hình 2.5 Quan hệ giữa UT với công suất phát P và tỷ số X/R………19

Hình 2.6 Đặc tính của nguồn điện gió phụ thuộc điện áp……… 20

Hình 2.7 Mô hình tĩnh của máy phát tuabin gió loại không đồng bộ……….22

Hình 3.1 Cấu tạo của bộ thiết bị SVC……….25

Hình 3.2 Đặc tính U-I của SVC……… 26

Hình 3.3 Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp………27

Hình 3.4 Sơ đồ tương đương của SVC………28

Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển của SVC………28

Hình 3.6 Sơ đồ đơn tuyến của tua bin gió kết hợp máy phát DFIG………29

Hình 3.7 Mô hình kết nối máy phát và tuabine gió……….32

Hình 3.8 Mạch điện tương đương theo trục dq của DFIG……… 33

Hình 3.9 Mô hình của bộ nghịch lưu xung đối……… 34

Hình 3.10 Sơ đồ khối điều khiển của bộ điều khiển RSC……… 36

Hình 3.11 Hệ quy chiếu định hướng từ thông stator……… 37

Hình 3.12 Sơ đồ khối của bộ điều khiển GSC………38

Hình 3.13 Hệ quy chiếu hướng điện áp stato……….39

Hình 3.14 Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển góc cánh quạt………39

X

Hình 3.15 Mô hình máy phát DFIG xây dựng trong phần mềm MATLAB…… 40

Hình 3.16 Sơ đồ hệ thống điện kết nối nguồn điện gió……… 41

Hình 3.17 Mô hình SVC kết nối lưới điện……… 41

Hình 4.1 Nhà máy điện gió tỉnh Bạc Liêu……… 44

Hình 4.2 Mô tải hệ thống điện gió Bạc Liêu trong Matlab……….46

Hình 4.3 Đáp ứng của điện áp các bus khi chưa có SVC………48

Hình 4.4 Đáp ứng của điện áp các bus khi có SVC………49

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tổng hợp tình hình đầu tư điện gió tại các tỉnh……….3

Bảng 1.2 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam (độ cao 65m)……… 4

Bảng 1.3 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam (độ cao 80m)……… 5

Bảng 4.1 Thông số lưới điện Bạc Liêu………45

Một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các dự án điện gió với quy mô lớn là rất khả thi Bản đồ tiềm năng gió của Ngân hàng Thế giới (Worldbank, 2001) được xây dựng cho bốn nước trong khu vực Đông Nam Á (gồm: Việt Nam, Cam-pu-chia, Lào, và Thái Lan) dựa trên phương pháp mô phỏng bằng mô hình số trị khí quyển Theo kết quả từ bản đồ năng lượng gió này, tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam là lớn nhất so với các nước khác trong khu vực, với tiềm năng năng lượng gió lý thuyết lên đến 513.360 MW[1] Những khu vực được hứa hẹn có tiềm năng lớn trên toàn lãnh thổ là khu vực ven biển và cao nguyên miền nam Trung Bộ và Nam Bộ Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng này được đánh giá là khá khác biệt so với kết quả tính toán dựa trên số liệu quan trắc của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), sự khác biệt này có thể là do sai số tính toán mô phỏng

Năm 2007, EVN cũng đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió, xác định các vùng thích hợp cho phát triển điện gió trên toàn lãnh thổ với công suất kỹ thuật 1.785 MW Trong đó miền Trung Bộ được xem là có tiềm năng gió lớn nhất

cả nước với khoảng 880 MW tập trung ở hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp

đến vùng có tiềm năng thứ hai là miền Nam Trung Bộ với công suất khoảng 855

MW, tập trung ở hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận Ngoài ra, Bộ Công thương và Ngân hàng Thế giới (2010) đã tiến hành cập nhật thêm số liệu quan trắc (đo gió ở 3 điểm) vào bản đồ tiềm năng gió ở độ cao 80m cho Việt Nam

Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80m so với bề mặt đất là trên 2.400 MW (tốc độ gió trung bình năm trên 7 m/s) Cho đến nay chưa có một nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió cho riêng Việt Nam một cách sâu rộng do thiếu

số liệu quan trắc phục vụ phát triển điện gió Gần đây, trong khuôn khổ hợp tác giữa

Bộ Công thương (MoIT) và Dự án Năng lượng Gió GIZ (Hợp tác Phát triển Đức GIZ) (gọi tắt, Dự án Năng lượng Gió GIZ/MoIT) [2], một chương trình đo gió tại

10 điểm trên độ cao 80m đang được tiến hành tại các tỉnh cao nguyên và duyên hải Trung Bộ (đo ở 3 độ cao 80, 60, và 40m so với bề mặt đất) Áp dụng các tiêu chuẩn IEC 61400-12 trong suốt quá trình đo gió, dự án này được mong đợi sẽ cung cấp dữ liệu gió có tính đại diện cho các vùng có tiềm năng gió của Việt Nam để phục vụ cho phát triển điện gió trong thời gian tới Ngoài ra, các báo cáo về quy trình và tiêu chuẩn lắp đặt cột đo gió cũng đang được hoàn thiện và sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà phát triển điện gió nói chung

Cho đến nay, có khoảng 48 dự án điện gió đã đăng ký trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam, tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam bộ, với tổng công suất đăng

ký gần 5.000 MW, quy mô công suất của các dự án từ 6 MW đến 250 MW Tuy nhiên, hiện nay do suất đầu tư của dự án điện gió vẫn còn khá cao, trong khi giá mua điện gió là khá thấp 1.928 đồng/kWh theo Quyết định số 39/2018/QĐ-TTg ngày 10/9/2018, cao hơn 184 đồng/ kWh so với mức giá điện bình quân hiện nay là 1.744 đồng/ kWh, được xem là chưa hấp dẫn các nhà đầu tư điện gió trong và ngoài nước [2]

Ngoài ra, theo thống kê, đến tháng 9 năm 2012, có tổng cộng 77 dự án điện gió qui mô công nghiệp đã được đăng ký tại 18 tỉnh với tổng công suất đăng ký là 7.234 MW (công suất đăng ký giai đoạn 1 là 1.488 MW)

HVTH: Phạm Trung Chính Trang 3

Bảng 1.1 Tổng hợp tình hình đầu tư điện gió tại các tỉnh

TT Tỉnh/TP Công suất, MW Số nhà đầu tư Tổng số dự

án GĐ1 Đăng ký

Tỉnh Bình Thuận có đến 18 nhà đầu tư, đăng ký 22 dự án điện gió với tổng công suất đăng ký gần 1.700MW Tỉnh Bình Thuận đã triển khai lập quy hoạch phát triển điện gió tỉnh từ năm 2009, quy hoạch này đã được Bộ Công Thương phê duyệt ngày 16/8/2012 theo Quyết định số 4715/QĐ-BCT Tỉnh Bình Thuận cũng là địa phương duy nhất có Hiệp hội Điện gió

Tỉnh Ninh Thuận có 13 nhà đầu tư, đăng ký 16 dự án điện gió với tổng công suất đăng ký hơn 1.100MW Tỉnh Ninh Thuận cũng đã triển khai lập quy hoạch phát triển điện gió tỉnh từ năm 2010, quy hoạch này đã được Bộ Công Thương phê duyệt ngày 23/4/2013

Các nghiên cứu về tiềm năng năng lượng gió hiện có ở Việt Nam

Thập niên vừa qua, một số công trình nghiên cứu đã được thực hiện bởi các

tổ chức nước ngoài với sự cộng tác của các tổ chức trong nước đã phác thảo được

sơ lược bức tranh của nền công nghiệp năng lượng gió ở Việt Nam

Tại cấp độ quốc gia, một số đề án đã được thực hiện, có thể kể:

+“Atlas tài nguyên năng lượng gió khu vực Đông Nam Á” (“Wind Energy Resource Atlas of Southeast Asia”), gồm 04 nước Việt Nam, Lào, Campuchia và Thái Lan, được Ngân hàng Thế giới tài trợ thực hiện và ấn hành vào tháng 9 năm 2001

+Dự án lập bản đồ tiềm năng gió cho 4 nước: Việt Nam, Lào, Campuchia và Thái Lan, trong đó Việt Nam được đánh giá là có tiềm năng gió lớn nhất khu vực Đông Nam Á với tổng công suất điện gió ước đạt khoảng 513.360

MW

Bảng 1.2 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam (độ cao 65m)

Tốc độ gió trung bình Kém

(<6m/s)

Khá (6-7m/s)

Tốt (7-8m/s)

Rất tốt (8-9m/s)

Tuyệt (>9m/s)

án đến nay

Sau khi xác định sơ bộ 29 địa điểm có tiềm năng gió tốt, đề án đã sàng lọc và chọn 3 địa điểm tiêu biểu có tiềm năng tốt nhất để tiến hành quan trắc gió Ba địa điểm nêu trên nằm trên địa bàn 3 tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận và Gia Lai Kết quả thu được sau 02 năm quan trắc cho kết quả tương đối trùng khớp với các kết quả quan trắc thực hiện tại các đề án khác Dựa vào kết quả quan trắc trong 02 năm, Tư vấn AWS True Power đã hiệu chỉnh lại mô hình tính toán và vẽ lại Atlas gió cho Việt Nam

Một số kết quả chính rút ra từ Atlas gió Việt Nam hiện nay:

Bảng 1.3 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam (độ cao 80m) Tốc độ gió trung

bình

Kém (<6m/s)

Khá (6-6,5m/s)

Khá (6,5-7m/s)

từ 6m/s trở lên), ở độ cao tiêu biểu lắp tua bin (80m) là 2.659 km2, chiếm tỉ lệ 0,8% diện tích cả nước, với tổng công suất điện gió ước đạt khoảng 10.637 MW

Hình 1.1 Atlas tiềm năng gió Việt Nam tại độ cao 80m, 2010

HVTH: Phạm Trung Chính Trang 7

Tích hợp nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện đang là xu hướng phát

triển hiện nay của các quốc gia trên thế giới nhằm khai thác triệt để nguồn năng

lượng sạch tự nhiên và vô tận, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phá hủy môi

trường sinh thái Tuy nhiên, các hệ thống tích hợp này thường được áp dụng trong

các hệ thống nhỏ [3-6] Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công

nghệ, các hệ thống tích hợp này đã được triển khai trong các ứng dụng có công suất

lớn, khoảng vài trăm MVA [7-8] Hơn nữa, việc hòa lưới và kết hợp với các nguồn

năng lượng có công suất lớn từ các nhà máy máy thủy điện, nhiệt điện là xu hướng

tất yếu

Với lý do đó, việc nghiên cứu và đánh giá tác động của các hệ thống điện

tích hợp vào hệ thống nhằm đảm bảo hệ thống điện vận hành ổn định và liên tục là

điều tất yếu Trong [9-10] năng lượng gió, năng lượng mặt trời tích hợp với các máy

phát điện phân tán đã được nghiên cứu và phần nào khẳng định được tính thiết thực

trong xu hướng trên Ngoài ra, trong [11], bộ điều khiển PID đã được thiết kế nhằm

nâng cao độ ổn định hệ thống điện tích hợp điện mặt trời và năng lượng gió được

đặt ngay tại bộ chỉnh lưu trong đường dây truyền tải điện một chiều điện áp cao

Bên cạnh đó, việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời

[12] và năng lượng điện gió [13-14] trong hệ thống điện đã được triển khai

1.2 Tính cấp thiết

Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch và vô hạn Hiện nay có rất nhiều các

dự án điện gió đang đầu tư và triển khai ở Việt nam nhằm bổ sung điện cho hệ thống điện Tuy nhiên, để tối ưu hiệu suất phát điện thì các hệ thống máy phát điện gió luôn vận hành phát tối ưu công suất tác dụng (P) Do đó, khi hệ thống bị sự cố hay các chế độ vận hành cần nhiều công suất phản kháng thì hệ thống không thể cung cấp đủ lượng công suất phản kháng (Q) làm cho độ ổn định của hệ thống giảm

và có khả năng làm mất ổn định hệ thống Vì vậy, để cung cấp kịp thời lượng công suất phản kháng nhằm nâng cao độ dự trữ cho hệ thống điện, thiết bị bù SVC (Static VAR Compensator - Tụ bù tĩnh có dung lượng thay đổi) được đề xuất nhằm cung cấp lượng công suất phản kháng nhanh cho hệ thống điện giúp nâng cao ổn định động cho hệ thống điện

1.3 Mục tiêu của đề tài

Đề tài đưa ra giải pháp nâng cao độ ổn định điện áp của hệ thống điện gió ở Bạc Liêu bằng cách sử dụng thiết bị bù tĩnh SVC để đảm bảo sự hoạt động bình thường của hệ thống và đảm bảo chất lượng điện năng khi có sự kết nối với hệ thống điện gió

1.4 Cách tiếp cận

Dựa trên các công trình đã được công bố như sách chuyên ngành, bài báo khoa học

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các công trình công bố trên các tạp chí và hội thảo chuyên ngành uy tín, tác giả tiến hành xây dựng mô hình toán học cho hệ thống và kiểm chứng bằng kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu

HVTH: Phạm Trung Chính Trang 9

- Đối tượng nghiên cứu là thiết bị bù SVC và phương pháp thiết kế bộ điều khiển cho SVC để giảm ảnh hưởng của hệ thống điện gió Bạc Liêu đến hệ thống điện

- Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế bộ điều khiển trong điều khiển thiết bị bù SVC để nâng cao ổn định trong hệ thống điện có kết nối với hệ thống năng lượng gió

Chương 2

ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG CÓ KẾT HỢP VỚI

ĐIỆN GIÓ

2.1 Ổn định trong hệ thống điện

2.1.1 Khái niệm ổn định hệ thống điện

Ổn định của hệ thống điện là khả năng của hệ thống điện phục hồi lại trạng thái làm việc ban đầu hoặc rất gần ban đầu sau khi bị các kích động nhỏ hoặc kích động lớn Ổn định hệ thống điện được phân loại như Hình 2.1 [15]

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại ổn định của hệ thống điện

HVTH: Phạm Trung Chính Trang 11

Ổn định tĩnh là ổn định khi có kích động nhỏ, các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của các thiết bị điều chỉnh, các kích động này tác động lên rotor của máy phát, làm phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động, chế độ xác lập muốn duy trì thì phải chịu được các kích động nhỏ này Như vậy, ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ

Ổn định động là ổn định khi có kích động lớn, các kích động lớn xảy ra ít hơn

so với các kích động nhỏ, nhưng biên độ khá lớn Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch…các kích động lớn tác động làm cho cân bằng công suất cơ – điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động rất mạnh Như vậy, ổn định động là khả năng hệ thống điện khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn

Ổn định góc thực chất là vấn đề giữ vững chuyển động đồng bộ giữa rotor của các máy phát điện trong toàn hệ thống điện Mất ổn định góc là mất ổn định giữa các máy phát Sự đồng bộ giữa các rotor được thể hiện qua góc tương đối giữa các vector điện áp, do đó gọi là ổn định góc Khi các góc này tăng lên có nghĩa là các rotor bắt đầu có chuyển động trái chiều, cái thì quay nhanh hơn, cái thì chậm lại Khi góc giữa các vector điện áp vượt qua giá trị giới hạn, hệ thống điện mất ổn định, trạng thái đồng bộ không thể tự phục hồi lại, công suất, điện áp, dòng điện biến thiên hỗn loạn, các bảo vệ rơle của các máy phát điện sẽ cắt các máy phát ra khỏi lưới điện dẫn đến sụp đổ hệ thống Ổn định góc là quá trình quá độ cơ điện, xảy ra rất nhanh, do đó ổn định này là ngắn hạn

Ổn định điện áp là quá trình biến thiên điện áp tại các nút Khi xảy ra kích động nhỏ làm mất cân bằng điện áp, phản ứng lập tức xảy ra ở máy phát, các thiết bị điều chỉnh điện áp và phụ tải Các phản ứng này có thể đưa điện áp trở lại trạng thái ban đầu, cũng có thể không, điện áp tiếp tục biến thiên, khi trị số điện áp vượt quá giá trị cho phép thì các thiết bị bảo vệ sẽ hoạt động cắt đường dây, máy biến áp…

gây mất điện cục bộ, có thể tác động dẫn đến mất điện cả khu vực Như vậy, ổn định điện áp dễ xảy ra khi lưới điện bị sự cố, khi đó mức điện áp chung giảm thấp, khả năng điều chỉnh điện áp suy yếu

Ổn định tần số xảy ra khi tần số của hệ thống điện xuống thấp hoặc tăng cao, các thiết bị tự động điều chỉnh tần số hoạt động nhằm khôi phục lại tần số ban đầu, nếu khôi phục không thành công thì phải sa thải bớt phụ tải và nếu vẫn không được thì hệ thống điện tan rã

2.1.2 Các chỉ tiêu ổn định điện áp [15]

Để đánh giá mức độ ổn định điện áp nhằm đảm bảo chất lượng điện năng, chúng

ta cần xác định các chỉ tiêu ổn định điện áp Có nhiều chỉ tiêu đánh giá ổn định điện

áp hệ thống điện kết nối nguồn điện gió, những chỉ tiêu quan trọng được trình bày dưới đây:

+ Vlv là điện áp nút ở chế độ làm việc bình thường

+ Vghmin là điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của hệ thống điện

dự trữ điện áp được dùng để đánh giá chuyên sâu cho mức độ kém ổn định điện áp Khi δVmin% của một nút giảm thấp dưới ngưỡng qui định cho phép hoặc gần bằng không thì có thể kết luận nút đó kém ổn định điện áp và sẽ bị mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp

- Hệ số dự trữ công suất tác dụng của hệ thống

Hệ số dự trữ công suất tác dụng (CSTD) của hệ thống được tính toán phụ thuộc vào tổng CSTD phụ tải trong toàn hệ thống điện ở chế độ vận hành cơ sở và CSTD phụ tải cực đại toàn hệ thống điện (HTĐ) tại điểm giới hạn ổn định điện áp của hệ thống theo phương pháp đường cong PV và được định nghĩa như sau:

+ PƩpt : Tổng CSTD phụ tải của HTĐ ở chế độ cơ sở

Chế độ cơ sở là chế độ vận hành của HTĐ tại thời điểm hiện đang khảo sát

Hệ số dự trữ CSTD của HTĐ KdtP% đặc trưng cho mức độ ổn định điện áp chung của toàn HTĐ Nếu KdtP% có giá trị lớn tương ứng với HTĐ có độ dự trữ CSTD cao, nếu KdtP% có giá trị nhỏ tương ứng với HTĐ có độ dự trữ CSTD thấp và nếu KdtP% ~ 0 thì HTĐ đang vận hành ở chế độ giới hạn CSTD

Đối với hệ thống điện Việt Nam, hiện tại chưa có qui định về độ dự trữ công suất tác dụng của hệ thống điện do nguồn điện phát triển chậm so với sự tăng trưởng của phụ tải nên phương thức vận hành của HTĐ Việt Nam hiện nay là độ dự trữ CSTD của hệ thống được yêu cầu lớn hơn công suất của một tổ phát lớn nhất

- Độ dự trữ công suất phản kháng

Theo phương pháp phân tích đường cong QV, hiện tượng mất ổn định điện áp bắt đầu xảy ra tại thời điểm giới hạn vận hành của công suất phản kháng (CSPK) tại nút tải Như vậy mức độ ổn định điện áp và độ dự trữ CSPK của nút tải có liên quan

mật thiết với nhau nên độ dự trữ CSPK được sử dụng để đánh giá giới hạn ổn định điện áp của nút tải

Hình 2.2 Đường cong QV sử dụng biến Q phụ tải thay đổi

Đối với phương pháp phân tích đường cong QV truyền thống sử dụng biến điện

áp nút thay đổi Khi thay đổi Vnút theo kịch bản giảm dần đều từ điểm vận hành ban đầu thì lượng CSPK bù thêm vào nút tải QC sẽ tăng dần theo và tại điểm đáy của đường cong QV (gọi là điểm sụp đổ điện áp) QC sẽ đạt giá trị cực đại ứng với giá trị

Qgh ứng với giá trị Vgh Khoảng cách giá trị CSPK vuông góc từ điểm vận hành ban đầu (trục hoành) đến điểm giới hạn của đường cong QV ứng với Qgh được gọi là độ

dự trữ CSPK (Qdt) của nút tải và được xác định: Q dt  Q gh

Trong phương pháp phân tích đường cong QV sử dụng biến Q thay đổi như Hình 2.2 thì khi tăng dần Qpt theo kịch bản tăng đều CSPK Qpt tại nút kiểm tra từ điểm vận hành ban đầu thì Vnút sẽ giảm dần theo và tại thời điểm tới hạn (điểm sụp

đổ điện áp) Qpt đạt giá trị cực đại tại Qmax tại điện áp Vgh Khoảng cách giá trị CSPK

từ điểm vận hành ban đầu ứng với Q0 đến điểm giới hạn của đường cong QV ứng

Sau khi sự

cố xảy ra

Bình thường (trước khi sự cố xảy ra)

Điểm tới hạn (hoặc điểm sụp đổ điện áp)

Giới hạn công suất phản kháng Q dt

Vnút

Vg

h

- Độ vọt lố điện áp

Khi Nhà máy điện gió kết nối lưới điện vận hành với tốc độ gió cao sẽ làm cho điện áp tại điểm kết nối PCC tăng Để xác định mức độ quá áp ta tính toán độ vọt lố điện áp tại điểm kết nối PCC gần đúng theo công thức [4]

Trong đó: 𝛥u: độ vọt lố điện áp

Smax: Công suất biểu kiến tối đa 𝜙: góc lệch pha

U: điện áp lưới điện

2.2 Ảnh hưởng của điện gió trong hệ thống điện

2.2.1 Ảnh hưởng chung

Công suất đặt của một máy phát điện gió thường không lớn, tùy theo tiềm năng của năng lượng gió của địa phương chúng có thể kết nối với lưới điện phân phối (nếu cụm công suất nhỏ) hoặc kết nối với lưới điện 110KV (nếu công suất lớn) Do công suất phát của tuabin gió phụ thuộc vào hệ số công suất Cp và các yếu tố bất định khác như mật độ không khí, tốc độ gió do đó các ảnh hưởng của máy phát điện gió đến hệ thống điện được phân thành 2 loại:

- Các ảnh hưởng mang tính cục bộ, bao gồm: làm thay đổi luồng công suất trên nhánh của các xuất tuyến phân phối; ảnh hưởng đến điện áp các nút trên xuất tuyến phân phối; ảnh hưởng đến phối hợp bảo vệ của các rơle quá dòng, đến dòng điện sự

cố, thiết bị chuyển mạch; ảnh hưởng đến chất lượng điện năng (dao động điện áp, chập chờn điện áp, độ tin cậy )

- Các ảnh hưởng mang tính hệ thống: ảnh hưởng đến ổn định tĩnh và ổn định động; ảnh hưởng đến quá trình điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống điện, ảnh hưởng đến tần số (đối với nguồn điện gió có công suất rất lớn)

2.2.2 Ảnh hưởng của nguồn điện gió đến chất lượng điện năng

Mô hình tổng quát nghiên cứu ảnh hưởng của máy phát điện gió đến thông số mạng điện trung áp được trình bày Hình 2.3

Hình 2.3 Mô hình nguồn điện gió nối lưới và biểu đồ pha điện áp

Trong đó UN là điện áp thanh cái hệ thống, UT là điện áp tại thanh cái chung kết nối nguồn điện gió PCC, Zk là tổng trở đường dây, Xk và Rk là điện kháng và điện trở của lưới điện, ψk là góc của tổng trở đường dây được xác định như sau:

k k

k

X arctg

HVTH: Phạm Trung Chính Trang 17

- Hiện tượng sóng hài

Dòng điện và điện áp hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống phân phối điện Bản thân các bộ biến tần trong hệ thống điện gió có chứa các phần

tử phi tuyến là nguồn gốc gây ra sóng hài Tuy nhiên, dòng điện hài lớn hay nhỏ tùy thuộc vào cấu trúc của hệ truyền động và tải, nếu sử dụng động cơ lớn hay tăng tải động cơ đều làm tăng dòng điện hài Để giảm sóng hài các nhà sản xuất sử dụng các

bộ biến tần phát sóng hài thấp hoặc dùng các phương pháp lọc ngoài Trong đó, để giảm dòng điện hài thì phải tăng điện cảm AC, DC hoặc tăng số van chỉnh lưu trong

2 ,

xác định sự thay đổi hệ số điện áp Ku và hệ số chập chờn Kf cho từng sự vận hành gián đoạn theo sự thay đổi của góc tổng trở ψk Giới hạn chập chờn điện áp (%) của một tuabin gió đơn lẻ được xác định bởi:

1 3,2

Với N là số các suy giảm điện áp trong khoảng thời gian T; U là điện áp; F là hệ

số suy giảm điện áp Từ công thức trên có thể xác định độ chập chờn dài hạn (sau khoảng 2 giờ) Độ chập chờn xác định từ số lần dừng/khởi động liên tiếp của các tuabin gió theo công thức:

1 3,2

- Sự dao động điện áp theo công suất

Hiện tượng dao động điện áp là do sự biến đổi tốc độ gió, thực tế cho thấy sự thay đổi công suất tác dụng của máy phát điện gió khi vận tốc gió thay đổi có thể đạt tới 60% trong vòng 3 phút, tùy theo vùng gió và hướng gió Tiêu chuẩn IEC 64100-21 đã qui định rằng sự thay đổi điện áp của nguồn điện gió không được phép vượt quá 3% trong 1 phút hoặc khi tần số thấp dưới mức qui định

Để thấy được sự ảnh hưởng của nguồn điện gió đến điện áp của lưới điện, từ Hình 2.3 ta xây dựng mối quan hệ giữa điện áp của nguồn điện gió với công suất phát và thông số của lưới điện như Hình 2.4 sau:

HVTH: Phạm Trung Chính Trang 19

Hình 2.4 Biểu đồ pha điện áp

Từ hình vẽ và bản biểu đồ pha có thể thấy rằng:

Hình 2.5 Quan hệ giữa UT với công suất phát P và tỷ số X/R

Ngoài ra, theo nghiên cứu [9] cũng cho thấy rằng dao động điện áp tại điểm kết nối của máy phát điện gió khi vận tốc gió thay đổi sẽ làm thay đổi lượng công suất tác dụng của nguồn điện gió, đồng thời máy phát cũng tiêu thu một lượng công suất phản kháng từ lưới điện để duy trì từ trường quay trong máy điện như Hình 2.5 Việc làm giảm dao động, chập chờn điện áp luôn là một vấn đề phức tạp trong quá trình vận hành các tuabine gió Giải pháp cho vấn đề là lắp đặt thiết bị bù SVC cho hệ thống nhằm làm giảm một phần lượng công suất phản kháng tiêu thụ từ phía lưới điện của nguồn điện gió và nâng cao ổn định điện áp

2.2.3 Ảnh hưởng nguồn điện gió đến điện áp lưới điện

- Ảnh hưởng công suất tác dụng nguồn điện gió đến điện áp

Phía hệ thống giả thuyết được coi như nguồn có công suất vô cùng lớn đối với công suất của nguồn điện gió Giả thuyết này có ý nghĩa khi xây dựng mô hình của nguồn điện gió, theo đó có thể có các ảnh hưởng như: chập chờn điện áp do hiệu ứng cột tháp, dao động điện áp do thay đổi tốc độ gió phát sinh từ tuabin gió không ảnh hưởng nhiều đến sự hoạt động bình thường và chất lượng điện áp của hệ thống điện và phụ tải

Trong thực tế cũng cho thấy rằng điện áp phía lưới điện thay đổi cũng làm ảnh hưởng đến khả năng phát công suất của chúng, do đó trong trường hợp tổng quát

HVTH: Phạm Trung Chính Trang 21

công suất phát của tuabin gió còn được mô tả là một hàm phụ thuộc điện áp, tần số, được xác định bởi [12]:

2 2

f = f – fdm là độ lệch tần số so với tần số định mức fdm; Fp là hệ số biểu diễn sự thay đổi công suất theo sự thay đổi tần số

Khi nguồn điện gió kết nối hệ thống điện, phía hệ thống được xem là nguồn

có công suất rất lớn so với công suất của nguồn điện gió, vì vậy ảnh hưởng tần

số có thể được bỏ qua, lúc đó mô hình (2.17) sẽ được đơn giản hóa thành (2.18):

2 2

Hình 2.6 Đặc tính của nguồn điện gió phụ thuộc điện áp

Theo đó, khi điện áp phía lưới điện thay đổi, công suất của máy phát thay đổi theo và RU sẽ thể hiện các mức phát công suất khác nhau theo sự thay đổi đó Rõ

ràng là khi tốc độ gió thấp RU sẽ nhỏ hơn 1 - ứng với khoảng (Ub2; Ubl) trên Hình 2.6, lúc này công suất phát của máy phát chưa thể đạt đến định mức Khi tốc độ gió đạt ổn định ở giá trị định mức thì RU bằng 1 - ứng với khoảng giá trị (Ubl; Ual), công suất máy phát đạt đến giá trị định mức Khi tốc độ gió quá lớn buộc phải cắt máy phát ra khỏi lưới, lúc đó RU= 0 Theo Hình 2.6, trong [10] đã xác định quan hệ giữa

RU và điện áp U như sau:

1

U U

2 1

Như vậy, nếu U > Ual hay U < Ubl thì RU sẽ có giá trị nằm trong khoảng từ 1 đến

0 tùy theo giá trị của vận tốc gió (“cut in” hay “cut out”) và tương ứng sẽ có các giá trị công suất P của nguồn điện gió Trong hầu hết các kết quả thực nghiệm đều cho kết quả: Ual= 1,2 pu; Ua2 = 1,3 pu; Ubl = 0,7 pu; Ub2= 0,1 pu [11] Các thông số Ual,

Ua2, Ubl, Ub2 có nghĩa quyết định đến hệ số hiệu chỉnh RU, cùng với hệ số Csp, Cip,

Csq, Ciq biểu diễn sự thay đổi công suất phát của nguồn điện gió (Cip+ Csp+ Czp =1) thì phương trình công suất tổng quát của nguồn điện gió được xác định:

2 2

HVTH: Phạm Trung Chính Trang 23

- Ảnh hưởng công suất phản kháng đến điện áp

Trong quá trình hoạt động, việc ảnh hưởng của các nhiễu loạn của tốc độ gió hay các ảnh hưởng khác từ mật độ không khí thường được bỏ qua và không ảnh hưởng nhiều đến P(U) Do đó, vấn đề mô hình hóa nguồn điện gió thường được biểu diễn như một nút PQ hay PV với các thông số về điện trở được cho trong Hình 2.7

Hình 2.7 Mô hình tĩnh của máy phát tuabin gió loại không đồng bộ

Từ đó công suất phản kháng được xác định theo công suất P của tuabin gió không đồng bộ [17]

Ở đây U là điện áp định mức của máy phát, Xc là dung kháng của tụ bù; Xm là điện kháng tương hỗ giữa cuộn stator và rotor; RS, RR, Xls, XlR lần lượt là điện trở các cuộn dây stator, rotor và điện kháng tản Công suất phản kháng có giá trị:

Với X = Xls + XlR; R = Rs + RR và P là công suất đầu ra tuabin gió Công suất Q

sẽ mang dấu dương nếu máy phát phát công suất cho lưới và mang dấu âm nếu máy phát nhận công suất từ lưới Từ phương trình này, trong [12] cũng đã giới thiệu biểu thức thực nghiệm mô tả công suất phản kháng của máy phát là hàm phụ thuộc công suất tác dụng:

2

Q Q Q P Q P (2.23) Với Q0, Q1, Q2 là các giá trị thu được từ thực nghiệm