Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo, điện gió ngày càng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện hiện đại. Tại Việt Nam, các dự án điện gió đang được đầu tư mạnh mẽ nhằm bổ sung nguồn điện sạch, tuy nhiên, tính không ổn định của công suất phát do biến động tốc độ gió gây ra nhiều thách thức về ổn định điện áp và chất lượng điện năng. Theo ước tính, dao động công suất tác dụng của máy phát điện gió có thể lên đến 60% trong vòng 3 phút, ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp lưới và khả năng cung cấp công suất phản kháng cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế bộ điều khiển PID cho thiết bị bù ngang SVC nhằm nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện có tích hợp máy phát điện gió, đặc biệt trong điều kiện dao động công suất lớn và sự cố ngắn mạch.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện kết nối với 4 máy phát điện gió công suất 5 MW loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) và một máy phát đồng bộ nối với bus vô hạn, thực hiện tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2016. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện độ ổn định động của hệ thống điện, giảm dao động điện áp và công suất, từ đó nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy vận hành hệ thống điện có nguồn điện gió. Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy bộ điều khiển PID kết hợp với SVC có khả năng giảm đáng kể dao động quá độ và thời gian phục hồi sau sự cố, góp phần thúc đẩy ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Ổn định hệ thống điện: Phân loại ổn định thành ổn định tĩnh, ổn định động, ổn định góc và ổn định điện áp. Ổn định điện áp được đánh giá qua các chỉ tiêu như hệ số dự trữ điện áp, dự trữ công suất tác dụng và phản kháng, độ vọt lố điện áp theo tiêu chuẩn IEC.

  • Máy phát điện gió PMSG: Loại máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu có ưu điểm vận hành tốc độ biến đổi, công suất cao, phù hợp với điều kiện biến động tốc độ gió. Mô hình toán học của máy phát và bộ biến đổi công suất được sử dụng để mô phỏng ảnh hưởng đến lưới điện.

  • Thiết bị bù ngang SVC (Static Var Compensator): Thiết bị bù công suất phản kháng nhanh, điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối (PCC) bằng cách hấp thụ hoặc cung cấp công suất phản kháng. SVC gồm các thành phần TCR, TSC, TSR và bộ điều khiển, có đặc tính điều chỉnh liên tục với thời gian đáp ứng ≤ 40 ms.

  • Bộ điều khiển PID: Thiết kế bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân bằng phương pháp gán điểm cực nhằm giảm dao động quá độ và nâng cao ổn định động cho hệ thống điện có SVC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các công trình khoa học, tài liệu chuyên ngành và tiêu chuẩn quốc tế về hệ thống điện và thiết bị FACTS. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống điện có kết nối 4 máy phát điện gió PMSG và thiết bị SVC, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.

  • Thiết kế bộ điều khiển PID cho SVC dựa trên phương pháp gán điểm cực, tuyến tính hóa hệ thống tại điểm làm việc định mức.

  • Mô phỏng sự cố ngắn mạch 3 pha xảy ra tại thời điểm 2 giây, kéo dài 0,1 giây để đánh giá hiệu quả bộ điều khiển PID trong việc giảm dao động điện áp, công suất và góc lệch rotor.

  • Cỡ mẫu mô phỏng gồm 4 máy phát điện gió 5 MW và 1 máy phát đồng bộ, lựa chọn phương pháp phân tích miền thời gian và miền tần số để đánh giá ổn định.

  • Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2015-2016, với các bước từ xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, đến mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả bộ điều khiển PID trên SVC: Khi có bộ điều khiển PID, dao động công suất tác dụng và phản kháng của máy phát điện gió giảm khoảng 30-40% so với trường hợp không có bộ điều khiển. Thời gian quá độ của các thông số cũng giảm từ khoảng 5 giây xuống còn dưới 3 giây.

  2. Ổn định điện áp tại điểm kết nối PCC: Điện áp tại PCC dao động trong phạm vi ±2% khi có bộ PID, so với dao động vượt quá ±5% khi không có bộ điều khiển, đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn IEC về chất lượng điện áp.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ gió: Ở tốc độ gió từ 8 đến 16 m/s, dao động tốc độ rotor máy phát đồng bộ giảm đáng kể khi sử dụng bộ điều khiển PID, giúp duy trì ổn định tần số và công suất phát.

  4. Phản ứng hệ thống khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha: Bộ điều khiển PID giúp hệ thống nhanh chóng phục hồi trạng thái ổn định, giảm thiểu nguy cơ mất đồng bộ và sụp đổ điện áp, nâng cao độ tin cậy vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện ổn định là do bộ điều khiển PID cung cấp tín hiệu điều chỉnh chính xác và kịp thời cho SVC, giúp thiết bị này nhanh chóng bù công suất phản kháng phù hợp với biến động công suất của máy phát điện gió. So với các nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở mô phỏng SVC hoặc điều khiển đơn giản, nghiên cứu này đã thiết kế và áp dụng bộ điều khiển PID dựa trên phương pháp gán điểm cực, cho phép kiểm soát dao động cơ và kích từ hiệu quả hơn.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ dao động công suất tác dụng và phản kháng, biểu đồ điện áp tại PCC, cũng như bảng so sánh trị riêng hệ thống với và không có bộ điều khiển PID, minh họa rõ ràng sự cải thiện về ổn định động. Điều này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng SVC có bộ điều khiển PID trong hệ thống điện có nguồn điện gió, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt thiết bị SVC có bộ điều khiển PID tại các điểm kết nối nguồn điện gió lớn nhằm nâng cao ổn định điện áp và giảm dao động công suất, đặc biệt trong các hệ thống có công suất gió trên 10 MW. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các công ty điện lực và nhà đầu tư dự án điện gió.

  2. Phát triển và áp dụng các phương pháp điều khiển nâng cao như Lead-Lag, điều khiển trượt hoặc điều khiển mờ để thay thế hoặc bổ sung cho bộ điều khiển PID, nhằm cải thiện hiệu quả điều khiển trong hệ thống phi tuyến và biến đổi nhanh. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm: 2-3 năm, chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Xây dựng chương trình đào tạo và tài liệu tham khảo chuyên sâu về thiết bị FACTS và điều khiển SVC cho học viên cao học và kỹ sư vận hành hệ thống điện, giúp nâng cao năng lực chuyên môn và ứng dụng thực tế. Thời gian: 6-12 tháng, chủ thể: các trường đại học kỹ thuật và trung tâm đào tạo.

  4. Thực hiện các nghiên cứu mở rộng về mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điện có nhiều nguồn điện gió và các thiết bị FACTS phối hợp để đánh giá toàn diện ảnh hưởng và tối ưu hóa vận hành hệ thống điện thông minh. Thời gian: 3-5 năm, chủ thể: các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và học viên cao học ngành Điện – Điện tử, Công nghệ năng lượng tái tạo: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết bị SVC, điều khiển PID và ứng dụng trong hệ thống điện có nguồn điện gió, hỗ trợ làm luận văn và đề tài tốt nghiệp.

  2. Kỹ sư vận hành và thiết kế hệ thống điện: Tài liệu giúp hiểu rõ về ổn định điện áp, công suất phản kháng và cách ứng dụng thiết bị FACTS để nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống có nguồn năng lượng tái tạo.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả đầu tư thiết bị bù ngang SVC và các giải pháp điều khiển nhằm đảm bảo vận hành ổn định và bền vững hệ thống điện quốc gia.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ thiết bị điện: Tham khảo phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID, mô hình toán học và kết quả mô phỏng để phát triển các thiết bị điều khiển và bù công suất phản kháng thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng thiết bị bù ngang SVC trong hệ thống điện có máy phát điện gió?
    SVC cung cấp công suất phản kháng nhanh, giúp điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối nguồn điện gió, giảm dao động điện áp và công suất do biến động tốc độ gió, từ đó nâng cao ổn định và chất lượng điện năng.

  2. Bộ điều khiển PID được thiết kế như thế nào để điều khiển SVC?
    Bộ điều khiển PID được thiết kế bằng phương pháp gán điểm cực dựa trên mô hình trạng thái tuyến tính hóa tại điểm làm việc định mức, nhằm giảm dao động cơ và kích từ của máy phát đồng bộ, nâng cao ổn định động hệ thống.

  3. Hiệu quả của bộ điều khiển PID trên SVC được đánh giá qua những chỉ tiêu nào?
    Hiệu quả được đánh giá qua giảm dao động công suất tác dụng và phản kháng, giảm dao động điện áp tại điểm kết nối PCC, rút ngắn thời gian quá độ sau sự cố và cải thiện trị riêng hệ thống, đảm bảo vận hành ổn định.

  4. Có những hạn chế nào khi sử dụng bộ điều khiển PID cho SVC?
    Bộ điều khiển PID chỉ hoạt động hiệu quả tại điểm thiết kế và trong hệ thống tuyến tính. Với hệ thống phi tuyến và biến đổi nhanh, cần áp dụng các phương pháp điều khiển nâng cao như điều khiển mờ hoặc trượt để đạt hiệu quả tốt hơn.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành hệ thống điện?
    Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở thiết kế và mô phỏng, có thể triển khai lắp đặt SVC có bộ điều khiển PID tại các điểm kết nối nguồn điện gió lớn, đồng thời đào tạo kỹ sư vận hành và phát triển các giải pháp điều khiển phù hợp với đặc thù hệ thống.

Kết luận

  • Thiết bị bù ngang SVC kết hợp bộ điều khiển PID đã chứng minh khả năng nâng cao ổn định điện áp và giảm dao động công suất trong hệ thống điện có máy phát điện gió PMSG.
  • Bộ điều khiển PID được thiết kế bằng phương pháp gán điểm cực, giúp giảm dao động cơ và kích từ của máy phát đồng bộ, nâng cao độ ổn định động.
  • Kết quả mô phỏng sự cố ngắn mạch 3 pha cho thấy thời gian phục hồi và biên độ dao động được cải thiện rõ rệt khi có bộ điều khiển PID.
  • Nghiên cứu góp phần làm cơ sở cho các ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện Việt Nam, đồng thời là tài liệu tham khảo cho học viên cao học và kỹ sư ngành điện.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu các phương pháp điều khiển nâng cao và mở rộng mô hình để đáp ứng tốt hơn các hệ thống điện phức tạp và phi tuyến trong tương lai.

Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp điện lực triển khai thử nghiệm thực tế thiết bị SVC có bộ điều khiển PID, đồng thời phát triển đào tạo chuyên sâu về công nghệ FACTS và điều khiển hệ thống điện hiện đại.