Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu hướng tới phát triển năng lượng tái tạo, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng sạch quan trọng với công suất lắp đặt toàn cầu vượt 845 GW vào năm 2021, trong đó có khoảng 83 GW trên bờ và 19 GW gần bờ. Việt Nam cũng nằm trong top 10 thị trường năng lượng gió hàng đầu thế giới, với công suất lắp đặt tăng nhanh, dự kiến đạt 4,1 GW vào cuối năm 2021. Tuy nhiên, việc tích hợp các trang trại điện gió sử dụng máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) vào hệ thống điện hiện hữu đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật, trong đó có hiện tượng tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI).

SSCI xảy ra khi các trang trại gió DFIG kết nối với đường dây truyền tải có tụ bù nối tiếp, gây ra dao động dưới đồng bộ làm ảnh hưởng đến độ ổn định và an toàn vận hành của hệ thống điện. Hiện tượng này có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị, giảm tuổi thọ máy phát và mất nguồn cung cấp điện. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích nguyên nhân, các trường hợp xảy ra SSCI và đề xuất giải pháp giảm thiểu hiệu quả hiện tượng này bằng cách sử dụng thiết bị bù nối tiếp điều khiển bằng cổng (GCSC) kết hợp bộ điều khiển PI với tham số tối ưu hóa bằng thuật toán PSO.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình toán học của hệ thống điện tích hợp DFIG kết nối lưới có tụ bù nối tiếp, mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink, đánh giá ảnh hưởng của mức bù, tốc độ gió và sự cố chạm đất đến SSCI. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao độ ổn định và hiệu quả vận hành các trang trại điện gió, đồng thời góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

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:

  • Dao động dưới đồng bộ (SSO): Là dao động trong hệ thống điện có tần số thấp hơn tần số đồng bộ, phát sinh do sự trao đổi năng lượng giữa các thành phần cơ điện trong hệ thống.
  • Cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR): Hiện tượng cộng hưởng giữa phần cơ và phần điện của hệ thống, đặc biệt giữa máy phát tua bin và tụ bù nối tiếp, gây ra dao động cơ và điện áp dưới tần số đồng bộ.
  • Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI): Là sự tương tác giữa bộ điều khiển của thiết bị điện tử công suất (như bộ chuyển đổi DFIG) với hệ thống truyền tải có tụ bù nối tiếp, gây ra dao động không kiểm soát được trong hệ thống điện.
  • Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG): Mô hình toán học chi tiết bao gồm mô hình khí động học, mô hình không gian trạng thái, mô hình bộ chuyển đổi và mô hình điều khiển.
  • Thiết bị bù nối tiếp điều khiển bằng cổng (GCSC): Thiết bị FACTS được sử dụng để điều chỉnh điện kháng đường dây truyền tải, giảm thiểu dao động SSCI thông qua bộ điều khiển PI với tham số tối ưu hóa bằng thuật toán PSO.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng (CSTD), công suất phản kháng (CSPK), tần số dưới đồng bộ, bộ điều khiển PI, thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO), và mô hình chuẩn SSR đầu tiên của IEEE (FBM).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ các mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink, dựa trên mô hình chuẩn FBM của IEEE tích hợp hệ thống điện gió DFIG kết nối lưới có tụ bù nối tiếp. Cỡ mẫu mô phỏng là hệ thống điện gió 100 MW gồm 66 tua bin GE 1,5 MW.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô hình hóa chi tiết các thành phần hệ thống: DFIG, đường dây truyền tải, thiết bị GCSC.
  • Phân tích tần số và mô phỏng miền thời gian để đánh giá dao động dưới đồng bộ.
  • Thiết kế bộ điều khiển PI cho GCSC với tham số được xác định bằng thuật toán PSO nhằm tối ưu hóa hiệu quả giảm thiểu SSCI.
  • Thực hiện ba kịch bản mô phỏng điển hình để đánh giá ảnh hưởng của mức bù, tốc độ gió và sự cố chạm đất đến SSCI.
  • So sánh kết quả trước và sau khi áp dụng thiết bị GCSC để đánh giá hiệu quả giải pháp.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 11/2022 đến tháng 8/2023, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của mức bù nối tiếp đến SSCI: Khi mức bù tăng từ 40% lên 60%, biên độ dao động mô men điện và điện áp đầu ra tăng lên đáng kể, dao động tần số dưới đồng bộ xuất hiện trong khoảng 9-13 Hz. Mức bù cao làm tăng nguy cơ SSCI, gây mất ổn định hệ thống.

  2. Tác động của tốc độ gió: Tăng tốc độ gió từ 6 m/s lên 15 m/s làm tăng công suất cơ học và mô men điện, đồng thời làm tăng biên độ dao động SSCI. Tuy nhiên, với thiết bị GCSC điều khiển tối ưu, hệ thống vẫn duy trì ổn định trong vùng an toàn ngay cả ở tốc độ gió cao.

  3. Ảnh hưởng của sự cố chạm đất: Sự cố chạm đất gây ra dao động đột ngột trong dòng điện và điện áp, kích hoạt SSCI với biên độ dao động tăng lên đến 3 p.u trong 200 ms. Thiết bị GCSC với bộ điều khiển PI được tối ưu hóa giúp giảm biên độ dao động này xuống dưới 1,5 p.u, cải thiện độ ổn định hệ thống.

  4. Hiệu quả của thiết bị GCSC: So sánh kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng GCSC kết hợp bộ điều khiển PI với tham số PSO giảm biên độ dao động mô men điện và điện áp đầu ra trung bình từ 30% đến 50% trong các kịch bản khác nhau, đồng thời giảm thiểu nguy cơ hư hỏng thiết bị và mất nguồn cung cấp điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây ra SSCI là sự tương tác giữa bộ điều khiển của DFIG và điện kháng thay đổi do tụ bù nối tiếp trên đường dây truyền tải. Mức bù cao làm tăng điện áp cộng hưởng, kích thích dao động dưới đồng bộ. Tốc độ gió và sự cố chạm đất làm thay đổi điều kiện vận hành, làm tăng biên độ dao động SSCI.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng của luận văn khẳng định vai trò quan trọng của thiết bị FACTS, đặc biệt là GCSC, trong việc giảm thiểu SSCI. Việc áp dụng bộ điều khiển PI với tham số tối ưu hóa bằng PSO giúp thiết bị hoạt động hiệu quả hơn, giảm thiểu dao động và nâng cao độ ổn định hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng động của mô men điện, điện áp đầu ra, công suất tác dụng và phản kháng, cũng như bảng tổng hợp biên độ dao động trước và sau khi sử dụng GCSC trong các kịch bản mô phỏng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thiết bị GCSC với bộ điều khiển PI tối ưu: Các nhà vận hành hệ thống điện nên áp dụng thiết bị GCSC kết hợp bộ điều khiển PI với tham số được xác định bằng thuật toán PSO để giảm thiểu SSCI, đặc biệt tại các khu vực có mức bù nối tiếp cao. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm.

  2. Tăng cường giám sát và phân tích dao động dưới đồng bộ: Cần thiết lập hệ thống giám sát liên tục các dao động dưới đồng bộ trong các trang trại điện gió sử dụng DFIG để phát hiện sớm hiện tượng SSCI và kịp thời điều chỉnh tham số điều khiển. Chủ thể thực hiện là các đơn vị vận hành lưới điện.

  3. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo chuyên sâu về SSCI: Các trường đại học và viện nghiên cứu cần phát triển các chương trình đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về hiện tượng SSCI và các giải pháp giảm thiểu, nhằm cung cấp nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành năng lượng tái tạo. Thời gian triển khai từ 1-3 năm.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành an toàn: Bộ Công Thương và các cơ quan quản lý cần ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến thiết bị GCSC và quy trình vận hành an toàn cho các trang trại điện gió sử dụng DFIG kết nối lưới có tụ bù nối tiếp. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý nhà nước, thời gian trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Giúp hiểu rõ về hiện tượng SSCI, các yếu tố ảnh hưởng và giải pháp kỹ thuật để nâng cao độ ổn định hệ thống điện gió.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học, phương pháp điều khiển và mô phỏng hiện tượng SSCI trong hệ thống điện gió.

  3. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý ngành năng lượng: Hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển năng lượng gió bền vững, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành hệ thống điện.

  4. Nhà sản xuất và cung cấp thiết bị FACTS, bộ chuyển đổi điện tử công suất: Tham khảo để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu giảm thiểu SSCI và nâng cao hiệu suất thiết bị trong hệ thống điện gió.

Câu hỏi thường gặp

  1. SSCI là gì và tại sao nó quan trọng trong hệ thống điện gió?
    SSCI (Sub-Synchronous Control Interaction) là hiện tượng tương tác điều khiển dưới đồng bộ giữa bộ điều khiển của máy phát điện gió DFIG và hệ thống truyền tải có tụ bù nối tiếp, gây ra dao động không ổn định. Hiện tượng này có thể làm hư hỏng thiết bị và giảm độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Thiết bị GCSC hoạt động như thế nào để giảm thiểu SSCI?
    GCSC là thiết bị bù nối tiếp điều khiển bằng cổng, điều chỉnh điện kháng đường dây truyền tải thông qua bộ điều khiển PI. Khi được tối ưu hóa tham số bằng thuật toán PSO, GCSC giúp giảm biên độ dao động dưới đồng bộ, nâng cao độ ổn định hệ thống.

  3. Tại sao bộ điều khiển PI cần được tối ưu hóa bằng thuật toán PSO?
    Thuật toán PSO giúp tìm ra tham số bộ điều khiển PI tối ưu, đảm bảo thiết bị GCSC hoạt động hiệu quả nhất trong việc giảm thiểu dao động SSCI, tránh điều chỉnh quá mức hoặc không đủ, từ đó cải thiện độ ổn định và an toàn hệ thống.

  4. Ảnh hưởng của mức bù nối tiếp và tốc độ gió đến SSCI như thế nào?
    Mức bù nối tiếp cao làm tăng điện áp cộng hưởng, kích thích dao động dưới đồng bộ. Tốc độ gió cao làm tăng công suất và mô men điện, có thể làm tăng biên độ dao động SSCI. Cả hai yếu tố này cần được kiểm soát để tránh mất ổn định.

  5. Giải pháp nào khác ngoài GCSC có thể giảm thiểu SSCI?
    Ngoài GCSC, các thiết bị FACTS khác như TCSC, STATCOM, và bộ giảm xóc bổ sung cũng được nghiên cứu để giảm thiểu SSCI. Tuy nhiên, GCSC với bộ điều khiển PI tối ưu hóa được đánh giá cao về hiệu quả và khả năng ứng dụng thực tế.

Kết luận

  • SSCI là hiện tượng dao động dưới đồng bộ nguy hiểm trong hệ thống điện gió sử dụng DFIG kết nối lưới có tụ bù nối tiếp, ảnh hưởng đến độ ổn định và an toàn vận hành.
  • Mức bù nối tiếp, tốc độ gió và sự cố chạm đất là các yếu tố chính kích thích SSCI với biên độ dao động dao động từ 9 đến 30 Hz.
  • Thiết bị GCSC kết hợp bộ điều khiển PI với tham số tối ưu hóa bằng thuật toán PSO đã chứng minh hiệu quả giảm thiểu dao động SSCI từ 30% đến 50% trong các kịch bản mô phỏng.
  • Giải pháp đề xuất giúp nâng cao độ ổn định hệ thống, giảm thiểu hư hỏng thiết bị và duy trì cung cấp điện ổn định cho các trang trại điện gió.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế thiết bị GCSC, nâng cao giám sát dao động dưới đồng bộ và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.

Hành động ngay hôm nay để ứng dụng giải pháp giảm thiểu SSCI, đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện gió hiện đại!