Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, đang trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của xã hội và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việt Nam sở hữu tiềm năng gió lớn với hơn 39% diện tích có tốc độ gió trung bình trên 6 m/s ở độ cao 65 m, tương đương tổng công suất tiềm năng khoảng 512 GW, trong đó hơn 8% diện tích có tiềm năng gió rất tốt. Tuy nhiên, nguồn điện từ năng lượng gió thường không ổn định do phụ thuộc vào điều kiện gió biến động. Điều này đặt ra thách thức lớn trong việc duy trì ổn định hệ thống điện khi tích hợp năng lượng gió hòa lưới.

Ổn định hệ thống điện là yếu tố then chốt đảm bảo vận hành an toàn và liên tục của hệ thống điện. Các dao động tần số thấp và sự mất ổn định có thể gây ra sự cố mất điện lớn. Trong bối cảnh đó, các thiết bị Hệ Thống Truyền Tải AC linh hoạt (FACTS) như bộ bù đồng bộ kiểu tĩnh (SSSC) được ứng dụng để nâng cao khả năng điều khiển công suất truyền tải và cải thiện ổn định động của hệ thống điện. Luận văn tập trung nghiên cứu nâng cao ổn định động của hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió dựa trên máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) sử dụng SSSC với bộ điều khiển giảm dao động PID.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink, tập trung vào hệ thống điện gồm máy phát đồng bộ (SG) và trang trại gió DFIG, với các phân tích trạng thái ổn định và mô phỏng miền thời gian dưới các điều kiện nhiễu loạn khác nhau. Mục tiêu là đánh giá và tối ưu hiệu suất ổn định động của hệ thống điện tích hợp năng lượng gió, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống điện 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:

  • Ổn định hệ thống điện: Bao gồm ổn định tĩnh và ổn định động, trong đó ổn định động liên quan đến khả năng hệ thống trở lại trạng thái cân bằng sau các kích động lớn như ngắn mạch hoặc thay đổi tải đột ngột. Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định dựa trên tiêu chuẩn năng lượng, phương pháp dao động bé và tiêu chuẩn cân bằng diện tích.

  • Mô hình máy phát điện đồng bộ (SG) và máy phát điện cảm ứng kép (DFIG): Mô hình toán học được thiết lập trong khung tham chiếu trục dq, mô phỏng các đặc tính động lực học và điện áp của hệ thống.

  • Thiết bị FACTS - SSSC: SSSC là thiết bị bù đồng bộ kiểu tĩnh được mắc nối tiếp trên đường dây truyền tải, có khả năng điều khiển công suất phản kháng và công suất truyền tải bằng cách điều chỉnh biên độ và góc pha điện áp nguồn. SSSC giúp cải thiện khả năng truyền tải và ổn định động của hệ thống.

  • Bộ điều khiển PID giảm dao động cho SSSC: Bộ điều khiển PID được thiết kế dựa trên phương pháp gán cực trong lý thuyết điều khiển modal, nhằm giảm dao động tần số thấp và nâng cao ổn định động của hệ thống điện tích hợp năng lượng gió.

Các khái niệm chính bao gồm: ổn định tĩnh và động, công suất tác dụng và phản kháng, góc rotor, dao động tần số thấp, mô hình dq, thiết bị FACTS, SSSC, DFIG, bộ điều khiển PID.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Luận văn sử dụng các tài liệu chuyên ngành, báo cáo nghiên cứu, và dữ liệu mô phỏng từ phần mềm Matlab-Simulink.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học động của hệ thống điện tích hợp SG và DFIG trong khung dq, mô hình SSSC và bộ điều khiển PID. Thực hiện phân tích trạng thái ổn định và mô phỏng miền thời gian dưới các điều kiện nhiễu loạn như ngắn mạch ba pha, thay đổi tải và thay đổi tốc độ gió.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình hệ thống điện được xây dựng với các tham số thực tế và giả định phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam. Các trường hợp nhiễu loạn được lựa chọn đại diện cho các tình huống vận hành thực tế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng 6 tháng, bao gồm thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp mô phỏng miền thời gian giúp đánh giá hiệu quả của SSSC và bộ điều khiển PID trong việc giảm dao động và nâng cao ổn định động hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của SSSC đến ổn định động: Hệ thống điện nghiên cứu khi không có SSSC thể hiện dao động tần số thấp với độ giảm dao động thấp, gây ra bởi chế độ cơ điện của máy phát đồng bộ (SG). Khi kết nối SSSC vào đường truyền tải, dao động được giảm nhẹ, cho thấy SSSC có khả năng cải thiện ổn định động.

  2. Hiệu quả bộ điều khiển PID cho SSSC: Thiết kế bộ điều khiển PID dựa trên phương pháp gán cực giúp tăng đáng kể độ giảm dao động. Kết quả mô phỏng cho thấy dao động tần số thấp được giảm mạnh hơn so với trường hợp chỉ có SSSC mà không có bộ điều khiển PID.

  3. Phản ứng hệ thống với các nhiễu loạn khác nhau: Mô phỏng các trường hợp ngắn mạch ba pha, thay đổi tải và thay đổi tốc độ gió cho thấy hệ thống có SSSC và bộ điều khiển PID duy trì được trạng thái ổn định nhanh hơn, với thời gian trở về trạng thái cân bằng giảm khoảng 20-30% so với hệ thống không có SSSC.

  4. Tác động của SSSC đến phân bố công suất trên đường dây: SSSC điều khiển được dòng công suất truyền tải, giúp giảm quá tải và cải thiện khả năng truyền tải điện, đồng thời góp phần ổn định điện áp và tần số trong hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các dao động tần số thấp trong hệ thống là do sự không đồng bộ và mất cân bằng cơ - điện giữa máy phát đồng bộ và tải. Việc tích hợp năng lượng gió DFIG làm tăng tính biến động do đặc tính phụ thuộc vào tốc độ gió. SSSC với chức năng điều khiển công suất phản kháng và công suất truyền tải giúp điều chỉnh dòng điện và điện áp, từ đó giảm dao động.

Bộ điều khiển PID được thiết kế theo phương pháp gán cực dựa trên lý thuyết điều khiển modal giúp tối ưu hóa đáp ứng hệ thống, tăng cường khả năng giảm dao động và nâng cao ổn định động. Kết quả mô phỏng miền thời gian minh họa rõ ràng sự khác biệt về biên độ và thời gian dao động giữa các trường hợp có và không có SSSC cùng bộ điều khiển PID, có thể được trình bày qua biểu đồ góc rotor và công suất truyền tải.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả luận văn khẳng định vai trò quan trọng của SSSC trong việc nâng cao ổn định động hệ thống điện tích hợp năng lượng gió, đồng thời bổ sung giải pháp bộ điều khiển PID hiệu quả hơn trong việc giảm dao động tần số thấp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt SSSC tại các điểm trọng yếu trên đường dây truyền tải nhằm điều khiển công suất truyền tải và giảm dao động, nâng cao ổn định động hệ thống điện. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các công ty truyền tải điện.

  2. Phát triển và áp dụng bộ điều khiển PID tối ưu cho SSSC dựa trên phương pháp gán cực để tăng cường khả năng giảm dao động tần số thấp, cải thiện hiệu quả vận hành. Khuyến nghị nghiên cứu tiếp tục trong 6-12 tháng bởi các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Mở rộng mô hình mô phỏng và thử nghiệm thực tế với các điều kiện vận hành đa dạng, bao gồm các dạng nhiễu loạn khác nhau và các cấu hình hệ thống phức tạp hơn để đánh giá toàn diện hiệu quả của SSSC và bộ điều khiển PID. Thời gian thực hiện 1-2 năm, phối hợp giữa các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp điện lực.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật vận hành hệ thống điện về công nghệ FACTS và điều khiển ổn định động, đảm bảo vận hành hiệu quả các thiết bị mới. Thời gian triển khai liên tục, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về ổn định hệ thống điện, mô hình toán học và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tích hợp năng lượng gió, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

  2. Kỹ sư vận hành và quản lý hệ thống điện: Tham khảo để hiểu rõ về ứng dụng SSSC và bộ điều khiển PID trong thực tế, từ đó áp dụng các giải pháp nâng cao ổn định và hiệu quả vận hành hệ thống điện.

  3. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng và phát triển hạ tầng điện: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng các chính sách phát triển năng lượng tái tạo và nâng cao độ tin cậy hệ thống điện quốc gia.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị FACTS: Tham khảo để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu thực tế của hệ thống điện tích hợp năng lượng gió, đồng thời nâng cao chất lượng và hiệu quả thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

  1. SSSC là gì và vai trò của nó trong hệ thống điện?
    SSSC (Static Synchronous Series Compensator) là thiết bị FACTS mắc nối tiếp trên đường dây truyền tải, điều khiển công suất phản kháng và công suất truyền tải bằng cách điều chỉnh điện áp nối tiếp. Nó giúp tăng khả năng truyền tải và cải thiện ổn định động hệ thống điện.

  2. Tại sao cần bộ điều khiển PID cho SSSC?
    Bộ điều khiển PID giúp giảm dao động tần số thấp trong hệ thống điện, nâng cao độ ổn định động bằng cách điều chỉnh nhanh và chính xác các tham số điều khiển của SSSC, từ đó cải thiện hiệu quả vận hành.

  3. Năng lượng gió ảnh hưởng như thế nào đến ổn định hệ thống điện?
    Năng lượng gió có tính biến động cao do phụ thuộc vào điều kiện gió thay đổi liên tục, gây ra dao động và mất ổn định trong hệ thống điện nếu không có biện pháp điều khiển phù hợp.

  4. Phương pháp gán cực trong thiết kế PID là gì?
    Phương pháp gán cực là kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển bằng cách đặt các cực của hệ thống điều khiển tại vị trí mong muốn trên mặt phẳng phức để đạt được đặc tính động tốt, giúp giảm dao động và tăng ổn định.

  5. Mô phỏng miền thời gian giúp gì trong nghiên cứu này?
    Mô phỏng miền thời gian cho phép đánh giá phản ứng động của hệ thống điện dưới các kích động khác nhau, giúp kiểm tra hiệu quả của SSSC và bộ điều khiển PID trong việc giảm dao động và nâng cao ổn định động.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng mô hình toán học động của hệ thống điện tích hợp năng lượng gió sử dụng SSSC trong khung dq, đồng thời thiết kế bộ điều khiển PID giảm dao động hiệu quả cho SSSC.

  • Kết quả mô phỏng cho thấy SSSC giúp cải thiện ổn định động bằng cách giảm dao động tần số thấp, đặc biệt khi kết hợp với bộ điều khiển PID.

  • Hệ thống có SSSC và bộ điều khiển PID có khả năng duy trì ổn định nhanh hơn và hiệu quả hơn dưới các điều kiện nhiễu loạn như ngắn mạch, thay đổi tải và biến động tốc độ gió.

  • Nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống điện tích hợp năng lượng gió, phù hợp với điều kiện phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

  • Đề xuất tiếp tục mở rộng nghiên cứu, thử nghiệm thực tế và đào tạo nhân lực để ứng dụng rộng rãi công nghệ SSSC và bộ điều khiển PID trong hệ thống điện quốc gia.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp điện lực triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời phát triển các giải pháp điều khiển nâng cao dựa trên kết quả nghiên cứu này nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững.