Bài viết trình bày thực tế này với các giải pháp cho các vấn đề đặt ra trong trạng thái xác lập, cũng như trong trạng thái quá độ khi vận hành hệ thống, trong đó các khía cạnh nhằm bảo đảm độ ổn định của lưới điện khi mức xâm nhập của các nguồn phát từ năng lượng tái tạo sẽ trở nên cao hay quá cao cần đặc biệt được lưu ý.
Trang 1TÓM TẮT
Hiện nay các nguồn phát điện từ năng lượng tái tạo, đặc biệt năng lương mặt trời, năng lượng gió, đang được tích hợp ngày càng với tỉ lệ tăng dần vào hệ thống điện hiện hữu tại nhiều nước.
Xu thế với mức độ xâm nhập ngày càng cao của năng lượng tái tạo sẽ đặt ra các vấn đề, cũng như các thách thức lớn về mặt kĩ thuật, mang tính bản chất vật lí, tính hệ thống mà lưới điện tương lai buộc phải đối mặt và giải quyết Bài báo trình bày thực tế này với các giải pháp cho các vấn đề đặt ra trong trạng thái xác lập, cũng như trong trạng thái quá độ khi vận hành hệ thống, trong đó các khía cạnh nhằm bảo đảm độ ổn định của lưới điện khi mức xâm nhập của các nguồn phát từ năng lượng tái tạo sẽ trở nên cao hay quá cao cần đặc biệt được lưu ý
PGS TS NGUYỄN HỮU PHÚC
Trường ĐH Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP HCM
VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN VỚI ĐỘ XÂM NHẬP CAO CỦA
NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO (PHẦN 1)
1 MỞ ĐẦU
Hiện nay, một số nước trên thế giới đã đạt đến mức độ xâm nhập cao của năng lượng
tái tạo (NLTT) trong hệ thống điện quốc gia, thậm chí ở mức rất cao đến 100% , như Iceland đang cung cấp 100% nhu cầu điện với nguồn địa nhiệt hoặc thủy điện Một
số quốc gia khác với lưới điện đang có mức độ xâm nhập cao của năng lượng tái tạo dựa trên thủy điện bao gồm Na Uy (97%), Costa Rica (93%), Brazil (76%), và Canada (62%) Trong nhiều thập kỷ các nhà máy thủy điện cung cấp nguồn điện từ năng lượng tái tạo tương đối rẻ tiền, tuy vậy các hệ thống này tùy thuộc nhiều vào lượng mưa tự nhiên và các yếu tố địa lý Thực tế, trên phạm vi thế giới đến nay đã khai thác gần hết các địa điểm với tiềm năng tốt về thủy điện Trong xu hướng các hệ thống điện (HTĐ) các nước dần đưa các nguồn năng lượng tái tạo vào làm việc, các hệ thống phát quang điện và điện gió sẽ có đóng góp to lớn, và cùng với chi phí đầu tư cho các công nghệ này trong các năm gần đây giảm nhanh, việc triển khai các nhà máy điện mặt trời và điện gió công suất lớn đang xảy ra trên khắp thế giới Điển hình, tại Ireland, Đan Mạch, Đức đều đang vận hành hệ thống điện quốc gia với mức độ xâm nhập hàng năm của NLTT trên 20%
Thường dùng thuật ngữ mức độ xâm nhập hàng năm (annual penetration level) trong
việc tính toán mức độ tham gia của NLTT vào hệ thống điện trên cơ sở năng lượng điện sản
xuất trong một năm, tuy vậy một thuật ngữ khác, mức độ xâm nhập tức thời (instantaneous
penetration level) là một yếu tố nhiều khi còn quan trọng hơn, được dùng để đánh giá độ ổn
định của HTĐ khi sự tham gia của NLTT tăng cao
Định nghĩa mức độ xâm nhập
% mức độ xâm nhập hàng năm = x 100%
% mức độ xâm nhập tức thời = x 100%, ở một thời điểm nhất định
(sản lượng hàng năm (MWh) từ nguồn NLTT)
(công suất tức thời (MW) từ nguồn NLTT)(sản lượng hàng năm (MWh)) (tổng công suất tức thời (MW))
1
10
15
Mục lục
23
28
30
Chịu trác nhiệm xuất bản:
ThS ĐOÀN ĐỨC HƯNG
Chủ tịch Hội Điện lực miền Nam (SEEA)
Trưởng Ban Biên tập:
TS TRẦN TRỌNG QUYẾT
Phó Chủ tịch Thường trực SEEA
Phó trưởng Ban Biên tập:
LÂM HOÀNG PHƯỚC Trưởng ban truyền thông SEEA
Chịu trách nhiệm về nội dung
ThS NGUYỄN TẤN NGHIỆP
Phó Chủ tịch kiêm Tổng thư ký SEEA
Ban Biên tập PGS-TS Nguyễn Bội Khuê
PGS-TS Nguyễn Hữu Phúc
PGS-TS Nguyễn Văn Liêm
TS Phạm Đình Anh Khôi
KS Võ Thanh Đồng
KS Trịnh Phi Anh ThS Phan Thanh Đức
KS-CV Cao cấp Lê Hải Sơn
KS Nguyễn Thế Bảng
ThS Trần Thế Du
KS Trần Thị Mỹ Ngọc
Trụ sở toà soạn
Số 72 Hai Bà Trưng, Phường Bến Nghé, Quận 1, TP HCM
Điện thoại: 028-35210484
Giấy phép xuất bản số 105/GP-XBBT
ngày 2/10/2019 của Cục Báo chí
-Bộ Thông tin & Truyền thông
Ảnh bìa:
- Sóng hài trong hệ thống điện:
tác hại và giải pháp.
- Tác hại của sóng hài.
VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN VỚI ĐỘ XÂM NHẬP CAO CỦA NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO (PHẦN 1).
SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN: TÁC HẠI VÀ GIẢI PHÁP (Phần 1).
ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN LÊN BẢO VỆ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ GIẢI PHÁP
KHẮC PHỤC.
DÂY DẪN ĐIỆN CHỊU NHIỆT ĐỘ CAO & ĐỘ VÕNG THẤP.
TREO CÁP QUANG ADSS CẶP VỚI DÂY TRUNG HÒA TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUNG HẠ THẾ TRÊN
KHÔNG (Sáng kiến cấp Tổng công ty Điện lực miền Nam
năm 2018)
CHẾ TẠO DỤNG CỤ XỬ LÝ TÁCH CÁP ABC PHỤC
VỤ ĐẤU NỐI NHÁNH RẼ VÀ HỘP PHÂN PHỐI (Sáng kiến cấp Tổng công ty Điện lực miền Nam
năm 2019)
.
Trang 2Ví dụ, Ireland hiện giới hạn mức xâm
nhập tức thời nhiều nhất đến 55%, và NLTT
đang cung cấp khoảng 13% sản lượng điện
hàng năm ở Châu Âu và 5% ở Hoa Kỳ Do
đó, trong bối cảnh các nhà máy điện (NMĐ)
công suất lớn với công nghệ năng lượng
tái tạo (NMĐ NLTT) phát triển ngày càng
nhanh, và tỉ lệ xâm nhập ngày càng cao một
vấn đề thời sự được đặt ra là trong tương lai
các hệ thống điện (HTĐ) sẽ phải có những
thay đổi và đặc điểm ra sao để có thể thích
ứng với hoàn cảnh mới
2 TÁC ĐỘNG CỦA MỨC XÂM NHẬP
NLTT CAO TRÊN LƯỚI
Ba vấn đề chính liên quan đến việc xâm
nhập cao của nguồn phát NLMT trong lưới
phân phối:
i/. Khả năng hướng chảy của dòng công
suất bị đảo chiều trong hệ thống phân phối:
tình hình phân bố công suất sẽ rất thay đổi
trong các hệ thống phân phối hiện hữu khi
tại điểm đấu nối công suất phát ra bởi NMĐ
NLTT vượt quá nhu cầu phụ tải, dòng công
suất chảy ngược sẽ xảy ra và điện áp có xu
hướng tăng cao tại các bus Điều này dẫn đến
việc vi phạm dãi điện áp cho phép ±10% điện
áp danh định, hay điện áp tại các bus vượt ra
ngoài dãi < 5% giá trị trung bình mười phút
của trị hiệu dụng điện áp, tính trong một
tuần (tiêu chuẩn chất lượng điện Châu Âu
EN 50160)
ii/. Phân bố dòng công suất có thể đảo
chiều trong hệ thống truyền tải: dòng công
suất chảy ngược trong hệ thống phân phối có
thể tác động đến phân bố công suất trong hệ
thống truyền tải khiến vi phạm khả năng tải
trên một số các đường dây
Hai vấn đề mang tính xác lập này đã được
trình bày trong [10], với các chi tiết trong bài
toán điển hình của mạch điện IEEE 9 bus,
với các nhận xét mang tính mở rộng và khái
quát hóa
áp): vấn đề này đã được giới thiệu trong [11],
và các nguồn gốc và bản chất vật lí với các đáp ứng động học của HTĐ trong trạng thái quá độ sẽ được phân tích đầy đủ hơn trong bài báo này
Phần 01 của bài báo sẽ trình bày vấn đề chung về ổn định của lưới điện hiện hữu, chủ yếu về các thuộc tính vật lí khi vận hành hệ thống điện hiện hữu, và các thay đổi về các bản chất vật lí này khi đưa vào các công nghệ mới của nguồn phát năng lượng tái tạo dần chiếm ưu thế trong điều kiện độ xâm nhập cao của các nhà máy phát từ năng lượng tái tạo trong hệ thống điện tương lai, Phần 02
sẽ trình bày các chi tiết về khả năng ổn định trong điều kiện trên, các vấn đề về bảo vệ hệ thống, từ các giải pháp được đề nghị Bài viết chủ yếu dựa vào các tài liệu trong bài báo
“Achieving A 100% Renewable Grid-Operating Electric Power Systems with Extremely High Levels of Variable Renewable Energy”, IEEE
Power& Energy Magazine, Mar/Apr 2017 của các tác giả Benjamin Kroposki, Brian Johnson, Yingchen Zhang, Vahan Gevorgian, Paul Denholm, Bri-Mathias Hodge, Bryan Hannegan [2], cũng như [3]
3 TÍNH BIẾN THIÊN (VARIABILITY)
VÀ BẤT ĐỊNH (UNCERTAINTY) CỦA NLTT
Điểm khác biệt cơ bản giữa các NMĐ truyền thống (nhiệt điện, nguyên tử) với NMĐ NLTT (năng lượng gió và mặt trời) là NMĐ NLTT có công suất phát thay đổi và không chắc chắn, tùy rất lớn vào điều kiện thời tiết địa phương Về phương diện vận hành HTĐ, việc điều độ các
MĐ thông thường, như nhà máy chạy than và khí đốt, là khả thi do dễ dàng thay đổi công suất đầu ra (tăng, giảm) để đáp ứng nhu cầu phụ tải thay đổi Khi phần trăm (%) mức xâm nhập của NLTT tăng lên, điều này đòi hỏi HTĐ phải có tính linh động trong công suất phát, trong khi
đó công suất phát của các nhà máy điện mặt
Trang 3trời (NMĐMT) lại thay đổi rất
nhiều trong ngày và hoàn toàn
không còn vào buổi tối (đối
với NMĐ công nghệ quang
điện) Điều này làm cho công
suất phát các NMĐMT có liên
quan chặt chẻ với nhau, cùng
với sản lượng lớn năng lượng
phát ra trong một khung thời
gian tương đối hẹp, và việc này
dẫn đến sự thay đổi lớn của
công suất phát trong HTĐ vào
chiều tối
Năng lượng gió cũng có
tính thay đổi trong một chu
kì ngày đêm, mặc dù với mức
thay đổi ít hơn so với Năng
lượng mặt trời Tại nhiều địa
điểm của nhà máy điện gió
(NMĐG), nhiều năng lượng
gió hơn thường được sản xuất
vào ban đêm so với ban ngày
Khi điều kiện thời tiết trong
khu vực địa lý có sự thay đổi
lớn trên diện rộng cũng có
thể tạo ra mức tăng sản lượng
điện của năng lượng gió Nhìn
chung, các mức tăng sản lượng
này có xu hướng xảy ra trong
nhiều giờ khi điều kiện về
địa lý có sự đa dạng trong tài
nguyên năng lượng gió (NLG)
Ngoài ra, do các nguồn NLTT
có sự trùng hợp về thời gian,
có thể ở những thời điểm nhất
định sản lượng phát lại lớn
hơn nhiều so với nhu cầu, khi
đó việc cắt giảm sản lượng từ
các NMĐ NLTT là cần thiết
về mặt kinh tế và ổn đinh hệ
thống
Hình 1 về một nghiên cứu tương lai của các nguồn NLTT [2], cho thấy việc điều độ các nguồn phát khác nhau trong tuần trong điều kiện mức phụ tải thấp và mức 80% xâm nhập của NLTT Trong những thời điểm khi công suất phát của cả NLG
và NLMT tăng vọt, việc cắt giảm sản lượng phát là kinh tế, tuy vậy quyết định cắt giảm này phụ thuộc vào nhiều thông số, kể
cả khả năng đáp ứng của các NMĐ còn lại trong HTĐ Dầu rằng mức xâm nhập cao của NLTT đặt ra những thách thức lớn, hiện nay và tương lai có nhiều giải pháp có thể giải quyết những thách thức này Các giải pháp này bao gồm san phẳng sản lượng điện phát từ các NMĐ NLTT qua việc bố trí các NMĐ trên các vị trí địa lí khác nhau Một giải pháp khác là nâng cấp hệ thống truyền tải để có thể chuyển vận một lượng năng lượng lớn, từ các khu vực đặt các NMĐ NLTT đến các khu vực có nhu cầu lớn
Công nghệ tích trữ năng lượng là công nghệ cho phép dịch chuyển về mặt thời gian đối với sản lượng NLTT phát ra Công nghệ này giúp chuyển dịch NLG và NLMT ở những thời điểm,
mà lẽ ra cần phải cắt giảm khi đó, sang những thời điểm khi tải cần đến, khi nguồn phát NLTT thấp hơn nhu cầu Có thể thực hiện các giải pháp dịch chuyển thời gian này qua các công nghệ tích trữ năng lượng khác nhau, như các NMĐ tích năng,
hệ thống tích trữ dùng khí nến, hoặc hệ thống bình ắcqui dung lượng lớn Một công nghệ khác, công nghệ nhu cầu- đáp ứng
(demand- response technology) đóng vai trò tương tự bằng cách
dịch chuyển nhu cầu của phụ tải sao cho trùng với thời điểm phát điện của nguồn NLTT, hay giảm thiểu các qui định về mức tăng của các nguồn phát Tương tự, một số loại phụ tải
Hình 1 Cắt giảm công suất phát (curtailment) từ các nguồn NLTT trong các ngày khi
HTĐ vận hành với 80% mức xâm nhập NLTT
Trang 4
mới, như tải sạc điện cho các xe hơi điện, cũng
đóng vai trò tương tự Một công nghệ tiên tiến
khác hỗ trợ việc sử dụng hiệu quả các nguồn
phát là dự báo nhu cầu phụ tải và dự báo sản
lượng phát từ NLTT Việc dự báo chính xác
giúp giảm thiểu tính không chắc chắn của sản
lượng phát từ các nguồn NLTT hay phụ tải, và
sẽ đảm bảo HTĐ (gồm các NMĐ truyền thống,
các trạm tích trữ năng lượng, và hạ tầng truyền
tải) vận hành một cách hiệu quả hơn
Một vấn đề khác xuất hiện khi ngày càng
có nhiều nguồn NLTT được huy động và tích
hợp vào HTĐ Khác với HTĐ hiện hữu với
các NMĐ làm việc chủ yếu với các máy phát
đồng bộ (MPĐB), lưới điện tương lai sẽ phân
tán hơn và bao gồm nhiều máy phát kiểu biến
tần (MPBT, inverter-based generator) Tổng
quát, các nguồn NLTT thường dùng biến tần
để đấu nối với lưới điện, thay vì MPĐB, và với
mức xâm nhập tức thời 50% trở lên của NLTT,
HTĐ lúc bấy giờ được xem như lưới điện biến
tần (inverter-dominated grid) Các nghiên cứu
[3,4 ] cho thấy các lưới điện tương lai sẽ có số
giờ vận hành trong năm với tỉ lệ nguồn phát sử
dụng MPBT nhiều hơn từ MPĐB Hình 2 biểu
diễn đường cong mức xâm nhập tức thời giữa
các vùng ở Hoa Kì với kịch bản 80% mức xâm
nhập NLTT theo điều kiện giới hạn công suất
truyền tải Trên Hình 2 cũng thấy HTĐ bang
Texas (ERCOT, Electric Reliability Council of
Texas) làm việc chủ yếu với các MPBT với tỉ lệ
59% của công suất phát đến từ NLTT Với cùng
kịch bản như trên, Hình 2 cũng cho thấy tỉ lệ
của công suất phát NLTT so với công suất phụ
tải Các đường nét đậm biểu diễn số giờ khi
HTĐ vận hành với tỉ lệ hơn 50% từ NLTT, và
trong vài trường hợp với tỉ lệ lên đến 100%, khi
xuất sản lượng thừa cho các bang khác Với các
kịch bản phát NLTT cao như trên, HTĐ vận
hành trong nhiều giờ chủ yếu với MPBT, và
trong các khung giờ khác trong ngày sẽ chuyển
qua lại, luân phiên giữa tình trạng vận hành
chủ yếu với MPBT (inverter-dominated system)
và vận hành chủ yếu với MPĐB (synchronous
generator-dominated system)
4 LƯỚI ĐIỆN LÀM VIỆC VỚI MPBT
Lưới điện làm việc chủ yếu với MPBT (inverter-dominated grids) là một khái niệm mới của HTĐ tương lai Thật vậy, có thể thấy HTĐ hiện tại với các NMĐ công suất lớn (NMĐ hạt nhân, NM nhiệt điện, NM thủy điện) chủ yếu dùng các MPĐB kết nối với lưới điện qua các đường dây truyền tải, phân phối cung cấp năng lượng điện đến phụ tải Điều khác biệt chính yếu giữa HTĐ truyền thống với HTĐ tương lai với mức xâm nhập cao của NLTT là sự hiện diện của MPBT (trừ trường hợp NMĐMT kiểu tập trung, concentrating solar power plants), là các thiết bị điện tử công suất chủ yếu sẽ đóng vai trò biến đổi điện năng
ở điện áp một chiều thành xoay chiều và đấu nối với lưới điện
Mặc dù một số NMĐ NLG sử dụng nhiều tầng chuyển đổi ac-dc và dc-ac trước khi đấu nối với lưới, cần tập trung vào tầng cuối cùng biến đổi dc thành ac tương thích lưới, vì đó
là mạch tương tác trực tiếp với hệ thống điện xoay chiều trong lưới điện tương lai, khi mà MPBT có thể chiếm hơn 50% công suất định mức phát ra của HTĐ ở một thời điểm bất kì,
Hình 2 Đường cong mức xâm nhập tức thời NLTT của HTĐ bang Texas (ERCOT) với kịch bản 80% mức xâm nhập NLTT theo điều kiện giới hạn công suất truyền tải.
Trang 5
khi đó HTĐ được xem như một HT làm việc
chủ yếu với MPBT
Các máy phát đồng bộ trong NMĐ thông
thường là các thiết bị quay cơ-điện với phần
đứng yên (stato) và phần quay (rôto) tạo ra từ
trường quay cảm ứng một điện áp trong dây
quấn stato, quá trình biến đổi năng lượng
cơ-điện này tạo ra cơ-điện áp xoay chiều với tần số
công nghiệp (50 Hz hoặc 60 Hz) Trong hơn
một thế kỷ cho đến nay, chính các MPĐB đã
quyết định các đặc điểm cho việc qui hoạch,
vận hành HTĐ hiện tại Trong hệ thống này,
một khi các MPĐB được đồng bộ với lưới
công suất tác dụng của máy được điều khiển
qua việc điều khiển moment trên trục máy,
và công suất phản kháng được điều khiển qua
việc điều khiển dòng kích từ Nhằm đảm bảo
độ tin cậy của HTĐ nối kết, tần số và điện
áp hệ thống được điều chỉnh chặt chẽ thông
qua kết hợp các bộ điều khiển vòng kín hoạt
động nhanh tại mỗi máy (bộ điều khiển điều
tốc- speed governor control- đảm bảo giữ
tần số trong qui định) và bộ điều khiển máy
phát (automatic generator control, AGC) tác
động chậm hơn, điều khiển kiểu tập trung,
mà nhân viên vận hành hệ thống sử dụng
để khôi phục tần số hệ thống về giá trị danh
định Tần số và điện áp là các thông số chính
yếu được quy định trong hệ thống và là các
mục tiêu điều khiển của HTĐ
Từ quan điểm vật lý, hệ thống tuabin và
các bộ phận quay bên trong mỗi MPĐB đều
có quán tính cơ học, và như vậy có khả năng
tích trữ động năng trong các khối quay Khi
xuất hiện sự cố và nhiễu loạn trong HTĐ, các
khối quay này có thể hoặc hấp thu hoặc cung
cấp năng lượng, điều này giúp hệ thống nối
kết có thể vượt qua các dao động khi có khác
biệt giữa công suất phát và công suất phụ tải
Cụ thể, tần số hệ thống sẽ tăng (hay giảm)
khi công suất phát lớn hơn (hay nhỏ hơn)
công suất đưa vào (hay lấy ra) từ khối quay;
điều này cũng có nghĩa mức tăng (giảm)
của tần số khỏi tần số định mức phản ánh
mức dư thừa hay thiếu hụt năng lượng trong HTĐ Mặt khác, tổng lượng quán tính trong
hệ thống (tổng khối lượng của tất cả máy quay nối kết) tỷ lệ thuận với khả năng của một hệ thống hấp thụ các biến thiên trên các tải và của nguồn NLTT, và giá trị của độ lệch tần số tỷ lệ nghịch với tổng quán tính trong
hệ thống Vì lẽ đó, dễ dàng có nhận xét là một
hệ thống với tổng lượng quán tính quay thấp bản chất sẽ đồng nghĩa với việc dễ dàng bị ảnh hưởng nhiều hơn do các nhiễu loạn, và khi đó độ lệch tần số sẽ có biên độ lớn hơn Một yếu tố quan trọng khác quyết định hành vi động học của các HTĐ hiện hữu là moment đồng bộ hóa hình thành bởi các MPĐB Moment đồng bộ hóa cùng với quán tính quay có vai trò quyết định trong việc xác định đáp ứng ban đầu của tốc độ rôto MPĐB, ngay sau một sự cố xảy ra trên lưới điện Thông qua thành phần moment đồng bộ hóa TSYN (synchronizing torque) (tỉ lệ với góc rôto δb của MPĐB) và thành phần moment cản dịu TD (damping torque) (tỉ lệ với vận tốc góc rôto dδb/dt của MPĐB) của moment điện từ TE, công suất tác dụng bơm vào HTĐ bởi MPĐB sẽ có tác dụng duy trì tính đồng
bộ và làm tắt dần các dao dộng cơ học trong
hệ thống
Hình 3 trình bày mô hình đơn giản của MPĐB G tại bus điện áp Vs nối kết qua đường dây với điện kháng jXe với bus điện áp Vb của lưới điện công suất vô cùng lớn Phương trình vi phân mô tả hành vi động học của góc rôto δb, trong điều kiện ổn định góc nhỏ cho bởi [1] phương trình vi phân như sau:
Hình 3 MPĐB G nối kết qua đường dây với lưới điện vô cùng
lớn
Trang 6
Từ quan hệ gia tốc và tổng moment
(TM+ TE) tác động vào khối quay,
với TE= TSYNC+TD (1)
Trong điều kiện các dao động nhỏ góc
rôto Δδ b quanh điểm cân bằng δ bo , phương
trình trên thành:
(2)
(3)
Với toán tử p= d/dt, δ b = δ bo + Δδ b ,
TE= TE+ ΔTE, TM= TM+ ΔTM
M = 2H
ω b = 2πf b
ΔTE = K1Δδ b +
ΔTM = K1Δδ b
δ b , góc rôto, là góc lệch giữa trục dọc d của
cực từ rôto và trục dọc d của cực từ trường
quay của dây quấn stato
fb, tần số lưới điện
t, thời gian
TM, moment cơ học (đơn vị tương đối)
TE, moment điện từ (đơn vị tương đối)
H, quán tính của khối quay, bao gồm
quán tính quay của rôto MPĐB và của rôto
động cơ sơ cấp
K1, hệ số moment đồng bộ hóa
D, hệ số moment cản dịu
Hình 4 mô tả quá trình dao động nhỏ của
góc rôto MPĐB sau tác động của nhiễu loạn
biên độ nhỏ do sự cố trên lưới điện Trong
tình huống hệ thống ổn định, góc rôto quay
về giá trị góc của rôto trước sự cố, và trong
tình huống hệ thống mất ổn định góc rôto
tăng dần
Hình 5 mô tả tình huống hệ thống không
ổn định, góc rôto dao động với biên độ tăng dần và cuối cùng rôto rơi vào trạng thái mất
bước (machine looses step), nói cách khác MPĐB mất đồng bộ hoàn toàn (pull out of
synchronism).
Hình 6 cho thấy quá trình dao động của góc rôto MPĐB sau tác động nhiễu loạn khi
có sự cố nghiêm trọng trên lưới điện Trong tình huống hệ thống ổn định Hình 6.(a), góc rôto sẽ có giá trị ổn định mới, sau các dao động khá lớn với biên độ tắt dần, và trong một tình huống tồi tệ khác trên Hình 6.(b) góc rôto có dao động biên độ giảm sau vài dao động, nhưng rồi lại tăng mạnh sau đó, khiến
hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định
d2 δ b dt2
D (d(Δδ b ))
ωb dt
Hình 4 Dao động nhỏ của góc rôto MPĐB trong điều kiện làm việc ổn định và mất ổn định sau nhiễu loạn trên hệ thống
Hình 5 Hệ thống không ổn định, góc rôto dao động với biên độ
tăng dần và MPĐB mất đồng bộ
Trang 7Có thể nói rằng trong HTĐ hiện hữu, chính
là nhờ vào quán tính quay lớn, cùng khả năng
moment đồng bộ hóa cao, cùng các bộ điều
khiển tác động nhanh đã giúp giảm thiểu các
tác động tiêu cực bất cứ khi nào trong hệ thống
xuất hiện sự mất cân bằng về công suất phát và
công suất phụ tải (công suất tác dụng và phản
kháng) Rõ ràng, đặc tính quan trọng và là bản
chất của các HTĐ hiện hữu sẽ bị ảnh hưởng rất
lớn và thay đổi nghiêm trọng một khi mức xâm
nhập của NLTT với công nghệ MPBT vào HTĐ
tăng dần
Ngược lại, công nghệ sản xuất điện năng từ
NLTT về cơ bản sử dụng các công nghệ hoàn
toàn khác biệt, trong việc biến đổi năng lượng
và đấu nối với lưới điện Qua trung gian MPBT
các nguồn NLTT được đấu nối với vào HTĐ
Rất khác với các MPĐB truyền thống, MPBT
với công nghệ vật liệu bán dẫn, hoàn toàn không
có các cơ phận quay, biến đổi dòng dc thành ac
và quản lí dòng công suất qua việc điều khiển
các khóa đóng cắt bán dẫn theo thời gian Do
đó, dễ thấy về bản chất vật lí MPBT hoàn toàn
khác với các hiện tượng vật lí mô tả ở máy điện
quay như trên
Trong công nghệ MPĐ NLG kiểu nguồn kép
DFIG (Doubly Fed Induction Generator) loại
Hình 6 Quá trình dao động của góc rôto MPĐB sau tác động
nhiễu loạn khi có sự cố nghiêm trọng trên lưới điện.
III, với dây quấn roto nối với lưới qua các vành
trượt và MPBT MPĐ NLG kiểu MPĐB
(Full-Size Synchronous Generator) loại IV biến đổi
toàn bộ công suất phát từ ac thành dc, và sau đó
từ dc thành ac với điện áp và tần số phù hợp để đấu nối với lưới điện Năng lượng điện dc sản xuất từ NMĐ MT thông qua MPBT để chuyển đổi dc thành ac với điện áp và tần số phù hợp để đấu nối với lưới điện Trong lưới điện tương lai với mức xâm nhập NLTT cao, các nhà máy tích trữ năng lượng (với công nghệ acqui, pin nhiên liệu), với vai trò cân bằng năng lượng trong HTĐ, cũng sử dụng MPBT để đấu nối với lưới điện Vì thế, trong bất cứ hệ thống NMĐ NLTT nào có sử dụng MPBT, luôn cần đến bộ điều khiển vòng kín để điều chỉnh dòng công suất từ nguồn phát dc, thông qua kĩ thuật biến đổi điện
tử công suất để đấu nối với lưới điện
Trong các bộ điều khiển số các đo lường theo thời gian thực được xử lí và các chương trình điều khiển được lập trình và thực thi theo yêu cầu của người vận hành Điều quan trọng nhất trong các bộ điều khiển này là đặc tính các chiến lược điều khiển, chứ không phải bản chất vật lí của MPBT, sẽ quyết định tính chất động học của MPBT khi có sự cố và cách thức MPBT sẽ đáp ứng với lưới điện ac Nói một cách khác, đáp ứng vật lí của MPBT hoàn toàn được quyết định bởi chương trình điều khiển được lập trình Điều này vô cùng khác biệt với các MPĐB, trong đó bản chất vật lí của máy, như quán tính của các bộ phận quay, các thông
số điện từ sẽ quyết định các đặc tính quá độ của chúng Để làm rõ sự khác biệt cơ bản giữa MPĐB và MPBT, thường dùng thuật ngữ thiết
bị không quán tính (zero-inertia machine) cho
MPBT, do đáp ứng của chúng hoàn toàn phụ thuộc vào chiến lược của chương trình điều khiển và không có bất kì bộ phận quay nào Nhìn chung, phân loại bộ điều khiển MPBT theo: bộ điều khiển bám theo lưới (grid following inverter controller) hoặc bộ điều khiển tạo lưới (grid forming inverter controller)
Các bộ điều khiển bám theo lưới hiện là loại
Trang 8phổ biến nhất hiện nay, phổ
biến trong các MPBT quang
điện và MBT điện gió Các bộ
điều khiển chủ yếu dùng mạch
vòng khóa pha (phase-locked
loop) để ước lượng góc pha tức
thời của điện lưới hình sin tại
điểm đấu nối của MPBT với lưới
điện Sau đó, mạch sẽ tạo ra và
bơm một dòngđược điều khiển
vào lưới, với tính chất dòng này
bám theo điện áp lưới Bản chất
của MPBT với bộ điều khiển
bám theo lưới là làm việc như
một nguồn dòng và “bám theo”
điện áp tại đểm đấu nối
Hạn chế của MPBT với bộ
điều khiển kiểu này là dựa trên
giả định điện áp ac tại điểm đấu
nối có biên độ và tần số không
đổi (cứng, stiff ac voltage) Trong
thực tế, điều này cũng có nghĩa
xem toàn bộ đáp ứng của hệ
thống, các MPĐB, các bộ điều
khiển đi kèm, các thiết bị điều
chỉnh trên lưới làm việc trong
điều kiện điện áp và tần số
thương đối ổn định tại bất kí
điểm nút nào trong lưới Trên
Hình 7 có thể thấy giả thiết này
tương đối hợp lí đến nay, vì thực
tế các công suất các NMĐ NLTT
với MPBT theo kiểu điều khiển
bám theo vẫn còn tương đối nhỏ
so với công suất của các MPĐB,
mà hiện nay đang đóng vai trò
chính trong điều khiển điện áp
và tần số của HTĐ hiện hữu
Tuy nhiên, tình hình sẽ thay
đổi ra sao khi trong HTĐ mức
xâm nhập của NMĐ NLTT ngày
càng cao, với số lượng MPBT
ngày càng nhiều trong lưới điện
tương lai?
Khi đó, HTĐ tương lai làm việc chủ yếu với MPBT với đặc tính không quán tính và sử dụng bộ điều khiển bám theo lưới, và MPBT này làm việc như nguồn dòng và bám theo điện áp lưới Rõ ràng, lưới điện tương lai khó có thể làm việc bình thường được trong điều kiện với các MPBT kiểu điều khiển bám theo lưới
Nhằm khắc phục nhược điểm trên, một thế hệ biến tần mới loại điều khiển tạo lưới dần được phát triển để thích ứng làm việc với hạ tầng điện sử dụng MBT, với khả năng điều chỉnh điện áp và tần số qua việc điều khiển phi tập
trung và tại chỗ (local de-centralized control) Trước khi
xem xét các đặc tính cần có của thế hệ biến tần mới này, cần xem xét các thách thức kĩ thuật phải giải quyết Đầu tiên , MBT thế hệ mới này sẽ dần được đưa vào làm việc trên lưới điện, cùng với việc tỉ lệ NLTT xâm nhập ngày càng cao vào lưới điện trong nhiều năm, nhiều thập kỉ tới, song song với việc thay thế dần các MPĐB Ngoài ra, do các MPBT
có phạm vi công suất định mức nhỏ hơn nhiều lần so với các MPĐB, điều này có nghĩa phụ tải trong hạ tầng mới của lưới điện làm việc với MBT cần làm việc với số lượng MPBT rất lớn trong lưới điện Đối với các lưới điện lớn,
Hình 7 Tình hình của lưới điện hiện nay (bên trái) chủ yếu làm việc với MPĐB với quán tính quay trong hệ thống rất lớn, và lưới điện tương lai (bên phải) khi mức xâm nhập của NLTT ngày càng cao, khi đó các MPĐB dần được thay thế và HTĐ sẽ chủ
yếu làm việc với MPBT
Trang 9điều này cũng có nghĩa số lượng có thể lên
đến hàng triệu các MPBT sẽ được vận hành
trong một phạm vi địa lí rộng lớn
Xét đến các đặc điểm trên, các bộ điều
khiển tạo lưới phải có các đặc tính sau:
- Khả năng tương thích với HTĐ hiện
hữu và liền mạch với HTĐ phát triển dần
trong tương lai theo Hình 2
- Do hệ thống vận hành với tập hợp
từ rất nhiều MPBT được phân bố phân tán
trên các địa lí rộng lớn cần sử dụng phương
án điều khiển phân tán, và việc điều khiển
nhanh theo thời gian không cần đến kĩ thuật
truyền thông
- Khả năng làm việc tin cậy, lâu dài
trong một tương lai mà MPĐB có thể sẽ
không còn hiện diện trong HTĐ
- Khả năng bảo đảm chất lượng điện, ngoài việc điều khiển công suất tác dụng và phản kháng
Để thực hiện được các mục tiêu trên một phương cách khả thi là điều khiển dộ
dốc (droop control) tương tự như điều khiển
MPĐB bằng cách lập trình mối quan hệ tuyến tính giữa công suất tác dụng, công suất phản kháng theo giá trị tần số và điện áp Tuy vậy,
do việc tính toán tương đối chậm các giá trị công suất tác dụng, công suất phản kháng, các
MPBT điều khiển độ dốc (droop-controlled
inverters) có nhược điểm là đáp ứng chậm
trong các quá độ Hiện nay, đang phát triển các phương pháp điều khiển với tên gọi máy
đồng bộ ảo hay máy quán tính ảo (virtual
synchronous, virtual inertia machines) với
khả năng mô phỏng các hiện tượng vật lí của các MPĐB./
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T.A Lipo,” Analysis of Synchronous Machines”, CRC Press, Second Edition 2012, ISBN-13: 978-1439880678, ISBN-10: 1439880670.
[2] Benjamin Kroposki, Brian Johnson, Yingchen Zhang, Vahan Gevorgian, Paul Denholm, Bri-Mathias Hodge, and Bryan Hannegan, “Achieving A 100% Renewable Grid- Operating Electric
Power Systems with Extremely High Levels of Variable Renewable Energy”, IEEE Power& Energy Magazine, Mar/
Ar 2017, pp 61- 73.
[3] Jan von Appen, Martin Braun, Thomas Stetz, Konrad Diwold, and Dominik Geibel, “Time in the Sun The Challenge of High PV Penetration in the German Electric Grid”, IEEE Power& Energy Magazine, Mar/Apr 2013,
pp 55- 64.
[4] M M Hand, S Baldwin, E DeMeo, J Reilly, T Mai, D Arent, G Porro, M Meshek, and D Sandor, “Renewable Electricity Futures Study”, NREL, Golden, CO, Tech Rep., NREL/TP-6A20-52409, June 2012.
[5] P Denholm and R Margolis, “Energy Storage Requirements for Achieving 50% Solar Photovoltaic Energy Penetration in California” , NREL, Golden, CO, NREL/TP-6A20-66595, Aug 2016.
[6] J Taylor, S Dhople, and D Calloway, “Power Systems without Fuel,” Renew Sustain Energy Rev., vol 57, pp 1322–1336, May 2016.
[7] J O’Sullivan, Y Coughlan, S Rourke, and N Kamaluddin, “Achieving The Highest Levels of Wind Integration:
A System Operators Perspective”, IEEE Trans Sustain Energy, vol 3, no 4, pp 819–825, Oct 2012.
[8] V Gevorgian, Y Zhang, and E Ela, “Investigating The Impacts of Wind Generation Participation in Interconnection Frequency Response”, IEEE Trans Sustain Energy, vol 6, no 3, pp 1004–1012, July 2015.
[9] D Ramasubramanian, V Vittal, and J Undrill, “Transient Stability Analysis of An All Converter Interfaced Generation WECC System” , Proc Power System Computation Conf., Genoa, Italy, 2016
[10] Nguyễn Hữu Phúc, “Tác Động của Mức Xâm Nhập Cao của các Nhà Máy Điện Mặt Trời Kĩ Thuật Quang Điện lên Lưới Điện- Phần 01”, Bản Tin Hội Điện Lực Miền Nam SEEA, Số 26 (10.2019), pp 01-07.
[11] Nguyễn Hữu Phúc, “Tác Động của Mức Xâm Nhập Cao của các Nhà Máy Điện Mặt Trời Kĩ Thuật Quang Điện lên Lưới Điện- Phần 02”, Bản Tin Hội Điện Lực Miền Nam SEEA, Số 27 (01.2020), pp 08-15.