Luận văn thạc sĩ về đánh giá ổn định động của hệ thống điện khi có nguồn năng lượng gió

Luận văn thạc sĩ phân tích ổn định động hệ thống điện trước tác động của nguồn năng lượng gió, góp phần nâng cao quản lý năng lượng hiệu quả.

• Người hướng dẫn: PGS. Võ Ngọc Lưu
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Quản lý năng lượng
• Đề tài: Đánh Giá Ổn Định Động Hệ Thống Điện Với Nguồn Năng Lượng Gió
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tiềm năng phát triển điện gió ở Việt Nam
• 2.1.1. Tiềm năng phát triển điện gió trên đất liền
• 2.1.2. Tiềm năng phát triển điện gió ngoài khơi
• 2.2. Tình hình thị trường năng lượng điện gió năm 2019
• 2.2.1. Thị trường điện gió trên đất liền
• 2.2.2. Thị trường điện gió ngoài khơi
• 2.2.3. Thị trường năng lượng điện gió ở Việt Nam
• 2.3. Ổn định hệ thống điện và các nghiên cứu trước đây trong việc tích hợp nguồn năng lượng gió vào HTĐ
• 2.4. Tổng quan về các khái niệm tuabin gió
• 2.4.1. Khái niệm tuabin gió tốc độ cố định
• 2.4.2. Khái niệm tuabin gió loại tốc độ biến thiên bị giới hạn (rôto được nối với một biến trở)
• 2.4.3. Khái niệm tuabin gió loại tốc độ biến thiên với bộ chuyển đổi điện tử công suất một phần (DFIG)
• 2.4.4. Khái niệm tuabin gió loại tốc độ biến thiên với bộ truyền động trực tiếp và bộ chuyển đổi công suất toàn phần
• 2.5. Các thành phần điển hình trong tuabin gió
• 2.6. Các loại tuabin gió thương mại
• 2.7. Nguyên tắc hoạt động của hai kiểu tuabin điển hình loại tốc độ biến thiên
• 2.7.1. Nguyên tắc hoạt động của tuabin gió Type-3
• 2.7.2. Nguyên tắc hoạt động của tuabin gió Type-4
• 2.8. Tiêu chuẩn kết nối nhà máy điện gió vào lưới điện
• 2.8.1. Khả năng vượt qua sự cố (FRT)
• 2.8.2. Điện áp và dải tần số hoạt động
• 2.8.3. Điều chỉnh công suất phản kháng và điện áp
• 2.8.4. Điều khiển công suất tác dụng và tần số
• 2.8.5. Hiện tượng nhấp nháy điện áp
• 2.8.6. Hiện tượng phát sóng hài
• 2.9. Tích hợp thiết bị FACTS trong trang trại điện gió
• 2.9.1. Tổng quan về các thiết bị FACTS
• 3. CHƯƠNG 3: TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN
• 3.1. Yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn đấu nối
• 3.2. Tác động của nguồn điện gió đến chất lượng điện năng
• 3.2.1. Biến thiên điện áp
• 3.2.2. Điện áp ở trạng thái ổn định
• 3.2.3. Dao động điện áp
• 3.2.4. Nhiễu sóng hài
• 3.3. Mô hình hệ thống năng lượng điện gió nối lưới
• 3.3.1. Mô hình động của một trang trại điện gió
• 3.3.2. Các mô hình tuabin gió điển hình của GE
• 3.3.2.1. Mô hình động của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG
• 3.3.2.2. Mô hình động cho tuabin gió FSC
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐỘNG CHO MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN CÓ TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ
• 4.1. Mô hình nhà máy điện gió được sử dụng để mô phỏng
• 4.2. Tính toán ổn định động hệ thống điện
• 4.2.1. Mục tiêu của tính toán ổn định động hệ thống
• 4.2.2. Phương pháp tính toán
• 4.2.3. Thông số đầu vào thực hiện tính toán
• 4.2.4. Trình tự mô phỏng tính toán ổn định động
• 4.2.5. Tiêu chuẩn đánh giá
• 4.2.6. Sơ đồ đơn tuyến của lưới điện được xem xét
• 4.2.7. Kết quả tính toán ổn định hệ thống
• 4.2.8. Ứng dụng nghiên cứu vào hệ thống điện thực tế ở Việt Nam
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nguồn năng lượng gió

Nguồn năng lượng gió đang trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất trên thế giới. Năng lượng gió không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn đóng góp vào việc đảm bảo an ninh năng lượng cho các quốc gia. Việt Nam, với tiềm năng gió lớn, đã có những bước tiến đáng kể trong việc phát triển hệ thống điện gió. Theo báo cáo, tiềm năng phát triển điện gió trên đất liền và ngoài khơi ở Việt Nam rất phong phú, điều này mở ra cơ hội lớn cho việc tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện quốc gia. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu được khai thác hợp lý, năng lượng gió có thể cung cấp một phần lớn nhu cầu điện năng trong tương lai.

II. Đánh giá ổn định động hệ thống điện

Đánh giá ổn định động của hệ thống điện là một yếu tố quan trọng để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động an toàn và hiệu quả khi có sự tham gia của nguồn năng lượng gió. Động lực học hệ thống điện cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để xác định khả năng đáp ứng của hệ thống trước những biến đổi do năng lượng gió gây ra. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như PSS/E giúp các kỹ sư có thể tính toán và phân tích các tình huống khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc tích hợp năng lượng gió vào lưới điện. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, việc cải thiện khả năng ổn định động của hệ thống điện là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho lưới điện trong điều kiện có sự tham gia của công suất gió.

III. Tính toán và mô phỏng ổn định động

Trong nghiên cứu này, các mô hình của các loại tuabin gió đã được xây dựng và áp dụng để tính toán ổn định động của hệ thống điện. Mô hình hóa hệ thống điện giúp đánh giá hiệu suất và khả năng chịu đựng của hệ thống khi có sự thay đổi đột ngột trong công suất gió. Các thông số đầu vào cho mô phỏng được xác định dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả tính toán cho thấy rằng, sự tích hợp năng lượng gió vào hệ thống điện không chỉ mang lại lợi ích về kinh tế mà còn giúp cải thiện độ tin cậy và tính ổn định của lưới điện. Những phát hiện này khẳng định rằng, việc áp dụng các công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng gió sẽ là xu hướng tất yếu trong tương lai.

IV. Ứng dụng và triển vọng

Việc nghiên cứu và đánh giá ổn định động hệ thống điện với sự tích hợp của năng lượng gió mở ra nhiều triển vọng cho ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Các chính sách hỗ trợ từ chính phủ và sự phát triển của công nghệ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển hệ thống điện thông minh. Ngoài ra, việc áp dụng các giải pháp công nghệ mới như công nghệ lưu trữ năng lượng và thiết bị FACTS sẽ giúp cải thiện khả năng điều khiển và ổn định cho lưới điện. Từ đó, Việt Nam có thể hướng tới việc đạt được mục tiêu phát triển bền vững và đảm bảo an ninh năng lượng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo toàn cầu, năng lượng điện gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất, đóng góp quan trọng vào mục tiêu phát triển bền vững. Năm 2019, tổng công suất lắp đặt điện gió toàn cầu đạt khoảng 650 GW, trong đó điện gió trên đất liền chiếm 54,2 GW và điện gió ngoài khơi chiếm 6 GW, tăng trưởng 19% so với năm trước. Tại Việt Nam, với tiềm năng gió kỹ thuật ước tính khoảng 217 GW trên đất liền và 475 GW ngoài khơi, điện gió được xem là nguồn năng lượng có tiềm năng lớn, góp phần giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường. Đến tháng 7/2020, tổng công suất lắp đặt điện gió tại Việt Nam đạt khoảng 429 MW, với nhiều dự án điện gió ngoài khơi quy mô lớn đang được triển khai.

Tuy nhiên, sự biến thiên của nguồn điện gió gây ra nhiều thách thức trong vận hành hệ thống điện, đặc biệt là về ổn định động và chất lượng điện năng. Điện gió có đặc tính phát công suất không liên tục, phụ thuộc vào tốc độ gió và vị trí địa lý, dẫn đến biến động lớn trong công suất đầu ra. Việc tích hợp điện gió với tỷ lệ ngày càng cao vào hệ thống điện đòi hỏi phải đánh giá kỹ lưỡng ảnh hưởng đến ổn định hệ thống, đặc biệt trong các trường hợp sự cố hoặc biến đổi thời tiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và đánh giá ổn định động của hệ thống điện khi có tác động của nguồn năng lượng điện gió, sử dụng các mô hình tuabin gió hiện đại và phần mềm mô phỏng PSS/E. Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống điện giả định 11 bus và hệ thống điện thực tế khu vực tỉnh Bến Tre, Việt Nam, với các kịch bản vận hành đến năm 2025. Kết quả nghiên cứu nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng kế hoạch vận hành và phát triển hệ thống điện tích hợp năng lượng gió, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Ổn định hệ thống điện: Bao gồm ổn định góc rôto, ổn định tần số và ổn định điện áp, được phân loại theo khung thời gian và mức độ nhiễu tác động. Ổn định góc rôto liên quan đến khả năng duy trì đồng bộ của các máy phát, ổn định tần số đề cập đến duy trì cân bằng nguồn - tải, còn ổn định điện áp tập trung vào khả năng duy trì điện áp ổn định sau các nhiễu lớn hoặc nhỏ.

• Mô hình tuabin gió: Tập trung vào hai loại tuabin gió tốc độ biến thiên phổ biến là Type-3 (máy phát điện cảm ứng nguồn kép DFIG) và Type-4 (máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG). Các mô hình này bao gồm cấu trúc máy phát, bộ chuyển đổi điện tử công suất, hệ thống điều khiển và bảo vệ, đặc biệt là khả năng đáp ứng các yêu cầu grid code như khả năng vượt qua sự cố (FRT) và điều khiển công suất phản kháng.

• Mô hình điều khiển và truyền động: Mô hình hai khối (two-masses) mô tả động học của trục tuabin và rôto máy phát, phương trình chuyển động cơ học và mô hình điều khiển góc nghiêng cánh để điều chỉnh công suất phát phù hợp với điều kiện gió và lưới điện.

• Tiêu chuẩn kết nối lưới điện: Các yêu cầu kỹ thuật về điện áp, tần số, công suất phản kháng, khả năng vượt qua sự cố và duy trì kết nối trong điều kiện điện áp thấp, nhằm đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện khi tích hợp nguồn điện gió.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu thực tế về tiềm năng và công suất lắp đặt điện gió tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực tỉnh Bến Tre; tài liệu kỹ thuật và mô hình tuabin gió của nhà sản xuất GE; các tiêu chuẩn kỹ thuật và grid code của Việt Nam.

• Phương pháp phân tích: Áp dụng mô phỏng ổn định động hệ thống điện bằng phần mềm PSS/E phiên bản 33.4, tích hợp các mô hình tuabin gió DFIG và PMSG. Phân tích các kịch bản vận hành với các mức độ thâm nhập điện gió khác nhau, đánh giá ảnh hưởng của sự cố ngắn mạch 3 pha và biến đổi tốc độ gió đến các chỉ số ổn định như dao động góc rôto, điện áp, tần số và công suất phản kháng.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình hệ thống điện giả định gồm 11 bus được thiết kế để kiểm tra các tình huống cơ bản; hệ thống điện thực tế khu vực Bến Tre được lựa chọn do có tỷ lệ thâm nhập điện gió cao và đặc điểm địa lý phù hợp. Các kịch bản vận hành được xây dựng dựa trên dự báo công suất đến năm 2025.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2019 đến 2021, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của điện gió đến ổn định hệ thống: Khi tỷ lệ thâm nhập điện gió tăng lên, đặc biệt với các tuabin DFIG và PMSG, hệ thống điện có xu hướng giảm quán tính tổng thể, dẫn đến dao động tần số và góc rôto tăng lên. Ví dụ, trong mô hình khu vực Bến Tre, dao động góc rôto tăng khoảng 15% khi công suất điện gió chiếm 30% tổng công suất lắp đặt.

2. Khả năng vượt qua sự cố (FRT): Các tuabin gió hiện đại được mô phỏng đáp ứng tốt yêu cầu FRT, duy trì kết nối trong các sự cố ngắn mạch 3 pha. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp tại điểm đấu nối phục hồi nhanh trong vòng 0,5 giây sau sự cố, đảm bảo không gây mất ổn định điện áp kéo dài.

3. Điều khiển công suất phản kháng và điện áp: Tuabin gió với bộ chuyển đổi công suất toàn phần (Type-4) có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng linh hoạt, hỗ trợ ổn định điện áp tại các bus quan trọng. So sánh với tuabin DFIG (Type-3), Type-4 thể hiện hiệu quả hơn trong việc giảm dao động điện áp khoảng 10-12%.

4. Ảnh hưởng của biến đổi tốc độ gió: Sự biến thiên tốc độ gió gây ra dao động công suất tác dụng và phản kháng, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Mô phỏng cho thấy công suất phát của các nhà máy điện gió có thể thay đổi đến 20% trong khoảng thời gian ngắn, đòi hỏi hệ thống điều khiển và bảo vệ phải hoạt động hiệu quả để duy trì ổn định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các dao động và thách thức ổn định là do đặc tính biến thiên và không đồng bộ của nguồn điện gió, làm giảm quán tính hệ thống và thay đổi phân bố công suất trên lưới. So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào mô hình đơn giản hoặc hệ thống giả định, nghiên cứu này đã áp dụng mô hình chi tiết của tuabin gió GE và mô phỏng trên hệ thống điện thực tế, tăng tính thực tiễn và độ tin cậy của kết quả.

Việc tuabin gió đáp ứng các yêu cầu grid code như FRT và điều khiển công suất phản kháng là yếu tố then chốt giúp duy trì ổn định hệ thống khi tỷ lệ thâm nhập điện gió tăng cao. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy sự cần thiết của việc nâng cấp hệ thống điều khiển và tích hợp các thiết bị FACTS để hỗ trợ ổn định điện áp và tần số.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dao động góc rôto, điện áp và tần số tại các bus chính, cũng như bảng so sánh hiệu quả điều khiển công suất phản kháng giữa các loại tuabin gió. Các biểu đồ công suất phát theo biến đổi tốc độ gió minh họa tính biến thiên của nguồn điện gió.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường áp dụng các mô hình tuabin gió hiện đại: Khuyến khích sử dụng tuabin gió loại tốc độ biến thiên với bộ chuyển đổi công suất toàn phần (Type-4) để nâng cao khả năng điều khiển công suất phản kháng và hỗ trợ ổn định điện áp. Chủ thể thực hiện: các nhà đầu tư và nhà sản xuất tuabin gió; Thời gian: trong các dự án mới và nâng cấp từ nay đến 2025.

2. Phát triển và hoàn thiện tiêu chuẩn kết nối lưới điện (grid code): Cập nhật các yêu cầu kỹ thuật về khả năng vượt qua sự cố, điều khiển công suất phản kháng và tần số phù hợp với đặc điểm nguồn điện gió tại Việt Nam. Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia; Thời gian: 2022-2024.

3. Ứng dụng thiết bị FACTS và hệ thống điều khiển thông minh: Lắp đặt các thiết bị FACTS tại các điểm đấu nối điện gió để tăng cường ổn định điện áp và tần số, đồng thời phát triển hệ thống điều khiển tự động để phản ứng nhanh với biến động công suất. Chủ thể thực hiện: EVN, các công ty truyền tải điện; Thời gian: 2023-2026.

4. Nâng cao năng lực mô phỏng và đánh giá ổn định hệ thống: Đào tạo nhân lực và đầu tư phần mềm mô phỏng hiện đại như PSS/E để thực hiện các phân tích ổn định động thường xuyên, phục vụ công tác vận hành và lập kế hoạch phát triển hệ thống điện. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học, EVN; Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy hoạch hệ thống điện phù hợp với xu hướng phát triển điện gió.

2. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển dự án điện gió: Tham khảo mô hình và phân tích ổn định để thiết kế, vận hành các trang trại điện gió hiệu quả, đảm bảo đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và an toàn vận hành.

3. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Áp dụng các mô hình và phương pháp đánh giá ổn định để giám sát, điều khiển và xử lý sự cố trong hệ thống điện có tỷ lệ thâm nhập điện gió cao.

4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện, năng lượng tái tạo: Tài liệu tham khảo chi tiết về mô hình tuabin gió, phương pháp mô phỏng và phân tích ổn định hệ thống điện, phục vụ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao ổn định động của hệ thống điện lại quan trọng khi tích hợp điện gió?
   Ổn định động đảm bảo hệ thống điện có thể duy trì hoạt động bình thường hoặc phục hồi nhanh sau các sự cố hoặc biến động công suất. Điện gió có đặc tính biến thiên, nếu không được quản lý tốt sẽ gây dao động tần số, điện áp, ảnh hưởng đến an toàn và độ tin cậy của hệ thống.

2. Mô hình tuabin gió nào được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu này?
   Luận văn tập trung vào hai loại tuabin gió tốc độ biến thiên là DFIG (Type-3) và PMSG (Type-4), do khả năng điều khiển linh hoạt và đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật của lưới điện hiện đại.

3. Phần mềm PSS/E có vai trò gì trong nghiên cứu?
   PSS/E là công cụ mô phỏng hệ thống điện chuyên nghiệp, được sử dụng để xây dựng mô hình, chạy các kịch bản sự cố và biến đổi vận hành, từ đó đánh giá ổn định động và hiệu quả tích hợp điện gió.

4. Khả năng vượt qua sự cố (FRT) của tuabin gió là gì?
   FRT là khả năng tuabin gió duy trì kết nối và hoạt động trong điều kiện sự cố điện áp thấp hoặc ngắn mạch trên lưới điện, giúp tránh mất ổn định và ngắt kết nối hàng loạt.

5. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của điện gió đến hệ thống điện?
   Có thể áp dụng các giải pháp như sử dụng tuabin gió hiện đại có bộ chuyển đổi công suất toàn phần, lắp đặt thiết bị FACTS hỗ trợ ổn định điện áp, cập nhật tiêu chuẩn grid code và nâng cao năng lực điều khiển, vận hành hệ thống điện.

Kết luận

• Năng lượng điện gió tại Việt Nam có tiềm năng phát triển lớn, đóng vai trò quan trọng trong chiến lược năng lượng bền vững.
• Sự biến thiên và tỷ lệ thâm nhập điện gió ảnh hưởng đáng kể đến ổn định động của hệ thống điện, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp.
• Mô hình tuabin gió DFIG và PMSG được tích hợp trong phần mềm PSS/E cho phép đánh giá chính xác ảnh hưởng và hỗ trợ thiết kế hệ thống điện ổn định.
• Các tiêu chuẩn kỹ thuật và grid code cần được hoàn thiện để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành hệ thống điện có điện gió.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng mô phỏng và công nghệ điều khiển hiện đại, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống điện trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các cơ quan quản lý, nhà đầu tư và đơn vị vận hành hệ thống điện áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch phát triển và vận hành hệ thống điện tích hợp điện gió hiệu quả, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và nâng cao độ chính xác mô hình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU Phần lớn các nước ở Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam đang phụ thuộc khá nhiều vào các nguồn nhiệt điện, thủy điện. Tuy nhiên, tồn tại một thực trạng đó là nguồn nước dần khan hiếm, chặt cây phá rừng đầu nguồn gây ra lũ lụt thiên tai, vấn đề ô nhiễm môi trường từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện trong khi nhu cầu năng lượng ở các quốc gia trong khu vực này ngày càng gia tăng, điển hình là Việt Nam dự báo đến năm 2025 sẽ bị thiếu hụt nguồn cung cấp. Hiện nay, thị trường năng lượng tái tạo đang nhận được sự quan tâm ngày càng đông đảo từ các nhà đầu tư trong nước và quốc tế, trong đó năng lượng điện gió là một trong những ngành mới nổi và phát triển nhanh nhất trên thế giới. Ngành năng lượng gió là một thành phần quan trọng trong chiến lược phát triển nguồn năng lượng bền vững và là động lực chính cho quá trình chuyển dịch cơ cấu nguồn cung ứng.

Theo sau sự phát triển của ngành năng lượng gió là các chính sách khuyến khích của chính phủ Việt Nam. Tuy nhiên, mức độ thâm nhập của điện gió sẽ phụ thuộc rất nhiều vào khả năng đáp ứng của hệ thống điện Việt Nam. Lượng công suất giải tỏa từ các nhà máy điện gió vào lưới điện ngày càng chiếm tỷ trọng đáng kể trong cơ cấu nguồn điện. Đây được xem là nguồn năng lượng có tiềm năng rất lớn và không gây ra ô nhiễm môi trường.

Nhưng hạn chế lớn nhất đó là các nhà máy điện gió thường phát công suất không liên tục, độ biến thiên sản lượng điện đầu ra khá lớn và không phụ thuộc vào nhu cầu tiêu thụ của phụ tải hay mùa trong năm. Trước đây, ảnh hưởng của nguồn năng lượng gió vào hệ thống điện có thể được bỏ qua do lượng công suất lắp đặt tương đối thấp. Tuy nhiên, với lượng công suất lắp đặt ngày càng tăng cao dẫn đến sự phân bố công suất trên đường dây truyền tải và quán tính của toàn hệ thống sẽ bị thay đổi khá nhiều sau khi các trang trại gió được kết nối. Ngoài ra, những nơi có vận tốc gió cao thường khá xa trung tâm phụ tải và khu thương mại, dẫn đến việc bắt buộc truyền tải công suất đi xa gây ra một số vấn đề về chất lượng điện áp, tần số và khả năng phục hồi của nhà máy khi hệ thống điện xảy ra biến động.

Theo truyền thống, nguồn điện gió được xem là nguồn phát điện nhỏ, các tuabin gió được phép ngắt khỏi trang trại gió khi hệ thống điện gặp sự cố, điều này không yêu cầu tuabin gió tham gia vào việc kiểm soát tần số và việc ngắt kết nối của tuabin được xem là không đáng kể đến tổn thất công suất phát và độ ổn định hệ thống điện. Thời gian gần đây, sự thâm nhập của năng lượng gió đã tăng lên đáng kể, đặc biệt ở một số quốc gia như Đan Mạch, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Đức, v. Khi sự hiện diện của nguồn điện gió ngày càng trở nên quan trọng đối với hệ thống điện thì tất cả các yếu tố có thể ảnh hưởng đến chất lượng cũng như an ninh vận hành hệ thống điện phải được xem xét. Do đó, việc sản xuất điện từ nguồn năng lượng gió bắt buộc phải có độ tin cậy trong việc cung cấp và mức độ ổn định.

Điều đó đòi hỏi các nhà vận hành lưới điện bắt đầu đưa ra các “grid code” cho nguồn năng lượng gió. Để đáp ứng các “grid code” này, nhà sản xuất tuabin gió phải cung Luận văn thạc sĩ Trang 1 Phân tích đánh giá ổn định động của HTĐ khi có tác động của nguồn năng lượng điện gió GVHD: PGS. TS Võ Ngọc Điều cấp các sản phẩm có tính năng đáp ứng yêu cầu của lưới điện. Những yêu cầu cơ bản liên quan mật thiết đến grid code, đó là khả năng vượt qua sự cố (Fault ride through) và khả năng vượt qua điện áp thấp (Low voltage ride through) của tuabin gió.

LVRT là yêu cầu để đảm bảo cho các tuabin gió ở trạng thái “stay online”, các trang trại gió phải duy trì kết nối khi hệ thống điện bị xáo trộn, đồng thời cung cấp ngược lại công suất phản kháng và công suất tác dụng trong điều kiện quá độ điện áp. Các nguồn điện gió cần đáp ứng các yêu cầu này để được phép đấu nối vào lưới điện. Nếu hệ thống điện không được đáp ứng đủ lượng công suất phản kháng trong suốt quá trình sự cố hoặc sự gia tăng của phụ tải sẽ gây mất ổn định điện áp. Trong trường hợp các trang trại điện gió được kết nối vào một lưới điện mạnh tức công suất ngắn mạch (MVA) tại điểm đấu nối lớn hơn nhiều so với lượng công suất nhà máy bơm vào, khi đó điện áp và tần số có thể nhanh chóng được thiết lập lại sau sự cố với sự hỗ trợ của chính lưới điện.

Mặc khác, việc kết nối vào lưới điện yếu sẽ không đáng tin cậy vì luôn tiềm ẩn nguy cơ gây mất ổn định điện áp do các xáo trộn trên lưới điện gây ra. Xuất phát từ những lý do trên, đề tài “Phân tích đánh giá ổn định động của hệ thống điện khi có tác động của nguồn năng lượng điện gió” được thực hiện với mục tiêu chính là tìm kiếm và nghiên cứu các mô hình toán học của tuabin gió cho việc tính toán ổn định được thực hiện trên phần mềm PSS/E. Quá trình tính toán sẽ đi từng bước từ việc phân tích đánh giá ổn định động của một hệ thống điện đơn giản gồm 11 bus được giả định trước đến một hệ thống điện thực tế ở Việt Nam khi được tích hợp một lượng lớn công suất từ nguồn điện gió, cụ thể là lưới điện khu vực tỉnh Bến Tre. Kết quả của nghiên cứu sẽ là cơ sở và công cụ cho việc xây dựng, phát họa những viễn cảnh cho một hệ thống điện trong tương lai về tính đáp ứng, mức độ bị ảnh hưởng và khả năng tích hợp đối với nguồn năng lượng điện gió.

Từ đó, đưa ra các kế hoạch vận hành ngắn hạn, dài hạn cho hệ thống điện. Tất cả vấn đề nghiên cứu xuất phát từ xu hướng chuyển dịch cơ cấu các ngành năng lượng, tầm quan trọng của ngành năng lượng mới thay thế cho các ngành năng lượng truyền thống sử dụng nguyên liệu hóa thạch và chiến lược phát triển năng lượng tái tạo Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050. Nội dung của luận văn gồm có 5 chương với bố cục như sau: Chương 2 thảo luận ngắn gọn về tiềm năng phát triển điện gió ở Việt Nam, sơ lược về tình hình thị trường năng lượng điện gió trong năm 2019 và trình bày về các khái niệm ổn định, các nghiên cứu trước đây trong việc tích hợp nguồn năng lượng điện gió vào lưới điện, phần tiếp theo sẽ trình bày tổng quan về các khái niệm tuabin gió và đi vào phân tích chi tiết thành phần cũng như nguyên tắc hoạt động của các loại tuabin gió thương mại thông dụng nhất hiện nay, nội dung tiếp theo sẽ trình bày sơ lược các tiêu chuẩn kết nối trang trại điện gió vào lưới điện, và cuối cùng là đưa ra một số ưu điểm của các thiết bị FACTS trong việc đáp ứng các yêu cầu của lưới điện một cách nhanh chóng, tăng cường độ ổn định và linh hoạt trong vận hành. Chương 3 sẽ trình bày về các Luận văn thạc sĩ Trang 2 Phân tích đánh giá ổn định động của HTĐ khi có tác động của nguồn năng lượng điện gió GVHD: PGS.

TS Võ Ngọc Điều yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn đấu nối theo tiêu chuẩn lưới điện Việt Nam, các tác động của nguồn điện gió đến chất lượng điện năng, giới thiệu các mô hình hệ thống năng lượng điện gió nối lưới của GE. Chương 4 sẽ đưa các mô hình điện gió của GE vào chạy mô phỏng trên phần mềm PSS/E version 33.4, quá trình chạy mô phỏng được thực hiện lần lượt trên một hệ thống điện giả định đơn giản đến hệ thống điện thực tế ở tỉnh Bến Tre tương ứng với các kịch bản vận hành ở năm 2025 và từ đó đưa ra các đánh giá về mức độ ổn định của lưới điện sau sự cố hoặc biến đổi thời tiết. Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển trong tương lai sẽ được trình bày trong chương 5. Luận văn thạc sĩ Trang 3 Phân tích đánh giá ổn định động của HTĐ khi có tác động của nguồn năng lượng điện gió GVHD: PGS.

TS Võ Ngọc Điều Chương 2 TỔNG QUAN 2. TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ Ở VIỆT NAM 2. Tiềm năng phát triển điện gió trên đất liền Dựa trên bản đồ tài nguyên gió mới, AWS Truepower đã cập nhật các ước tính về tiềm năng tài nguyên gió có thể phát triển của Việt Nam. Diện tích có thể phát triển trong từng ngưỡng tốc độ được ước tính với mật độ trung bình khoảng 10MW/km2.

Bảng 2-1 Tiềm năng điện gió trên đất liền ở Việt Nam [1] Tốc độ gió ở độ Dự kiến diện tích Tỷ lệ phần Ước lượng tiềm cao 80m (m/s) đất phát triển (km2) trăm năng Megawatt <4 95,916 45.00% 2,099,333 Hình 2-1 Tiềm năng điện gió trong đất liền [2] Tổng tiềm năng kỹ thuật: 217GW, trong đó:  Gió cao (>6m/s) là 24GW  Gió trung bình (5. Luận văn thạc sĩ Trang 4 Phân tích đánh giá ổn định động của HTĐ khi có tác động của nguồn năng lượng điện gió GVHD: PGS. TS Võ Ngọc Điều Bảng 2-2 Quy mô công suất lắp đăt điện gió trên đất liền của từng vùng [2] Đã được Đăng ký đầu tư nhưng chưa STT Tên vùng BSQH (MW) được BSQH (MW) 1 Bắc Bộ 2 Bắc Trung Bộ 372 3 Trung Trung Bộ 560 2522 4 Tây Nguyên 286.8 10174 5 Nam Trung Bộ 2030 2461 6 Nam Bộ 2099 14775 7 Tổng toàn quốc 4976 30304 Hình 2-2 Bản đồ tốc độ gió của Việt Nam ở độ cao 100m [1] Luận văn thạc sĩ Trang 5 Phân tích đánh giá ổn định động của HTĐ khi có tác động của nguồn năng lượng điện gió GVHD: PGS. TS Võ Ngọc Điều 2.

Tiềm năng phát triển điện gió ngoài khơi Hình 2-3 Hình ảnh minh họa tuabin gió ngoài khơi Theo phân tích tiềm năng kỹ thuật của điện gió ngoài khơi trong báo cáo của Ngân hàng Thế giới (WB), Việt Nam là một trong 8 quốc gia có tiềm năng rất lớn phát triển điện gió ngoài khơi. Xem xét các khu vực ngoài khơi trong phạm vi 200km bờ biển, 8 quốc gia gồm: Brazil, India, Morocco, Philippines, South Africa, Sri Lanka, Turkey, and Việt Nam có tổng tiềm năng khoảng 3.