Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái quát chung Trong những năm gần đây, nguồn tài nguyên gió là một loại năng lượng tái tạo và ngày càng trở nên quan trọng hơn ở nhiều nước. Năng lượng gió có đặc điểm riêng chẳng hạn như rời rạc, ngẫu nhiên, và không kiểm soát. Xu hướng làm tăng lượng điện tạo ra từ tua-bin gió có thể được chú ý vì nó là một nguồn năng lượng sạch, có tác động thấp. Do đó, sự xâm nhập của tua-bin gió trong các hệ thống năng lượng điện sẽ tăng lên và bắt đầu có những ảnh hưởng đến hành vi tổng thể hệ thống điện, làm thay đổi lưu lượng công suất trong hệ thống điện dẫn đến cần phải xem xét mức độ ổn định điện áp của toàn hệ thống điện khi gió kết nối lưới điện.
Vấn đề quan trọng ở đây là nghiên cứu hành vi của các tua-bin gió trong một hệ thống điện và tương tác của nó với các máy phát điện khác và với tải tiêu thụ. Điện áp không ổn định là một điểm yếu hệ thống điện lớn dẫn đến sự thiệt hại nặng với nền kinh tế, kỹ thuật và xã hội. Vấn đề ảnh hưởng của gió đến hệ thống được rất nhiều tác giả nghiên cứu như: Nghiên cứu các đặc trưng sụp đổ điện áp trong lưới điện có kết nối máy phát điện gió 6, Nghiên cứu các tác động của hệ thống nối máy phát gió 7 , Ổn định tĩnh cho mô hình trang trại gió với DFIG 8 , Cải thiện ổn định điện áp kết nối với máy phát phân phối 9 .Các nghiên cứu của những tác giả trước chưa đề cập đến việc xác định vị trí, mức độ xâm nhập của máy phát điện gió vào hệ thống điện vẫn giữ được ổn định điện áp và cũng chưa có nghiên cứu so sánh mức độ ổn định điện áp của máy phát điện gió kết nối lưới điện so với máy phát điện khác kết nối lưới điện. Với luận văn này tác giả sử dụng phương pháp phân tích giá trị riêng để đánh giá sự ổn định điện áp của các trang trại gió để giải quyết các vấn đề các tác giả trước chưa đề cập đến.2 Các vấn đề về ổn định điện áp của hệ thống kết nối máy phát điện gió 1.1 Định nghĩa Ổn định điện áp liên quan đến khả năng của hệ thống ở điều kiện vận hành bình thường và khi có nhiễu có thể duy trì điện áp tại mọi thanh cái trên hệ thống ở mức chấp nhận.
Một hệ thống rơi vào trạng thái không ổn định điện áp khi có tác động nhiễu, khi có yêu cầu tải tăng…sẽ có sự giảm áp liên tục không thể kiểm soát được. Nhân tố chính của nguyên nhân gây ra sự không ổn định là hệ không có khả năng đáp ứng yêu cầu về công suất phản kháng. Đối với các hệ thống lớn có rất nhiều nút việc so sánh đặc tính tải QL(V) và đặc tính nguồn cung cấp là QS(V) để đánh giá ổn định điện áp gặp rất nhiều khó khăn. Do đó để đánh giá ổn định điện áp cho một hệ thống lớn người ta thường dựa vào đường cong Q-V, tức là dựa trên mối quan hệ giữa độ thay đổi công suất bơm vào nút và độ thay đổi điện áp nút.
Từ nhận xét trên chúng ta đưa ra tiêu chuẩn ổn định điện áp đối với hệ thống lớn như sau: Hệ thống ổn định điện áp trong điều kiện vận hành đã cho nếu như đối với tất cả các nút trong hệ thống biên độ điên áp tăng lên khi công suất phản kháng bơm vào nút đó tăng lên. Ngược lại hệ thống mất ổn định điện áp nếu như có ít nhất một nút trong hệ thống mà điện áp tại nút đó giảm xuống khi công suất phản kháng bơm vào nút đó tăng lên. Nói cách khác hệ thống V ổn định điện áp nếu độ nhạy V-Q (tức là ) của tất cả các nút trong hệ thống là Q dương và hệ thống mất ổn định điện áp nếu độ nhạy V-Q của ít nhất một nút trong hệ thống là âm. Các vấn đề liên quan tới mất ổn định điện áp thường xảy ra trên những hệ thống chất tải nặng.
Ngoài khả năng của lưới truyền tải và mức chất tải, những nhân tố như: giới hạn điều khiển điện áp phần ứng của máy phát và máy phát điện gió, đặc điểm của tải, đặc điểm của các thiết bị bù phản kháng, và hoạt động của thiết bị điều khiển điện áp như là thay đổi nấc của bộ điều áp dưới tải của máy biến áp (OLTC) cũng ảnh hưởng tới sụp đổ điện áp.2 Phân loại Ổn định điện áp thường được phân thành 2 loại: Ổn định điện áp nhiễu lớn; Ổn định điện áp nhiễu nhỏ. Ổn định điện áp nhiễu lớn: là khả năng của hệ thống có thể điều khiển điện áp khi có những nhiễu như: sự cố hệ thống, mất tải, mất máy phát. Khảo sát ổn định này thường đòi hỏi phải sử dụng phương pháp động trong một thời gian đủ để thực hiện ảnh hưởng của các thiết bị như OLTC; giới hạn kích từ. Ở đây cần nghiên cứu bằng mô phỏng miền thời gian phi tuyến tính bao gồm cả việc chọn model.
Ổn định điện áp – nhiễu lớn có thể chia ra làm 2 dạng: quá độ và trong thời gian kéo dài. Ổn định điện áp – nhiễu nhỏ: là khả năng của hệ thống điều khiển điện áp khi có những tác động nhỏ. Cách tiếp cận tĩnh sử dụng phương pháp tuyến tính với hệ phương trình động tại những điểm vận hành sẽ được áp dụng. Trong luận văn này tác giả nghiên cứu ổn định điện áp-nhiễu nhỏ tức là khảo sát đánh giá ổn định điện áp khi có máy phát gió kết nối vào hệ thống.
Sau khi có nhiễu xảy ra (bất kỳ nhiễu lớn hay nhỏ), thông thường điện áp của hệ thống không trở về mức ban đầu mà nó đạt đến một giá trị xác lập mới. Do đó, chúng ta phải xác định phạm vi dao động điện áp cho phép. Vì vậy hệ thống chỉ được xem là ổn định hữu hạn trong phạm vi dao động điện áp cho phép.3 Các yếu tố dẫn tới sụp đổ điện áp Khi nhu cầu công suất phản kháng trong hệ thống gia tăng đột ngột do tình trạng khẩn cấp nào đó, các máy phát và các thiết bị bù trong hệ thống sẽ cung cấp phần công suất phản kháng tăng thêm này hoặc khi kết nối máy phát gió vào hệ thống điện, máy phát gió hút công suất phản kháng của từ hệ thống. Nói chung các nguồn công suất phản kháng dự trữ trong hệ thống có thể đáp ứng được và hệ thống sẽ thiết lập lại mức điện áp ổn định.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp có thể do một số điều kiện nào đó, hệ thống không thể đáp ứng được nhu cầu công suất phản kháng tăng thêm hay giảm xuống và điều này dẫn đến sụp đổ điện áp, làm rã lưới một phần hoặc toàn bộ hệ thống. Sau đây là một số trường hợp dẫn đến sụp đổ điện áp: Khi hệ thống điện kết nối với máy phát điện gió, máy phát điện gió lúc này được mô tả như một nguồn phát công suất tác dụng thì khi công suất phát càng tăng sẽ đồng nghĩa với việc công suất phản kháng mà nguồn điện gió nhận về từ hệ thống càng tăng, điều này sẽ gây giảm điện áp ở các nút lân cận và làm tăng nguy cơ mất ổn định điện áp. Hệ thống làm việc trong điều kiện bất thường khi các máy phát công suất lớn gần trung tâm phụ tải tách khỏi vận hành. Điều này làm cho các đường dây truyền tải cao áp bị quá tải và nguồn công suất phản kháng giảm đến mức tối thiểu.
Việc cắt một số đường dây đang mang tải sẽ dẫn đến phụ tải tăng cao ở các đường dây lân cận. Điều này làm tăng tổn thất công suất phản kháng trên đường dây (tổn thất công suất kháng trên đường dây tăng nhanh khi tải trên đường dây lớn hơn tải sóng), do đó làm cho nhu cầu công suất phản kháng trong hệ thống tăng mạnh Khi đường dây truyền tải cao áp bị cắt ra, điện áp ở gần trung tâm tải sẽ giảm xuống do nhu cầu công suất phản kháng tăng lên. Điều này làm cho công suất tiêu thụ của tải giảm xuống và công suất trên đường dây phụ tải giảm xuống và công xuất truyền trên đường dây cao áp cũng giảm, do đó giúp cho hệ thống ổn định trở lại. Tuy nhiên, bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát sẽ nhanh chóng phục hồi lại điện áp đầu cực máy phát bằng cách tăng dòng kích từ.
Do đó công suất phản kháng truyền qua máy biến áp và đường dây tăng lên làm cho sụt áp trên các phần tử này tăng lên. Việc sụt áp trên đừơng dây truyền tải cao áp sẽ ảnh hưởng đến hệ thống phân phối. Máy biến áp có điều áp dưới tải sẽ phục hồi lại điện áp phân phối và tải trở về giá trị ban đầu trong thời gian đầu trong 2 đến 4 phút. Mỗi lần chuyển đầu phân áp, tải trên đường dây cao áp tăng lên làm tăng tổn thất trên đường dây XI2 và RI2, điều này làm cho điện áp trên đường dây cao áp tiếp tục giảm mạnh hơn.
Nếu như đừơng dây cao áp mang tải lớn hơn tải sóng SIL, mỗi MVA truyền tải tăng thêm trên đường dây sẽ gây ra vài MVAr tổn thất công suất phản kháng. Với mỗi nấc chuyển đầu phân áp công suất phản kháng phát ra từ máy phát truyền tải qua hệ thống sẽ tăng lên, dần dần các máy phát sẽ lần lượt đạt đến giới hạn khả năng công suất phát công suất kháng (đặc trưng bởi dòng điện kích từ cực đại). Khi máy phát đầu tiên đạt đến kích từ giới hạn, điện áp đầu cực của nó sẽ giảm xuống. Khi điện áp đầu cực của máy phát giảm xuống việc giữ cố định công suất tác dụng đầu ra sẽ làm cho dòng điện phần ứng tăng lên.
Điều này làm cho công suất phản kháng của máy phát giảm xuống để giữ dòng điện phần ứng trong giới hạn cho phép. Do đó, tải kháng sẽ được chuyển sang máy phát khác làm cho nhiều máy phát khác nhanh chóng bị quá tải. Nếu có ít máy phát có bộ tự động điều chỉnh kích từ, hệ thống sẽ dễ mất ổn định điện áp.
