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.