Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng năng lượng gió rất lớn, đặc biệt tại các vùng ven biển. Theo báo cáo của ngành, tổng công suất lắp đặt điện gió toàn cầu đạt 655,9 GW vào cuối năm 2019, trong đó Trung Quốc chiếm 36,3% với 217 GW, Mỹ 16,08% với 96 GW, và nhiều quốc gia khác cũng có sự phát triển mạnh mẽ. Tại Việt Nam, đến năm 2019 đã có 9 nhà máy điện gió thương mại với tổng công suất khoảng 452 MW, cùng hàng trăm MW dự án đang triển khai và phê duyệt. Tuy nhiên, điện gió công suất nhỏ, đặc biệt là các tua-bin gió áp mái, vẫn chưa được khai thác và phát triển tương xứng do nhiều ảnh hưởng kỹ thuật và kinh tế.

Nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng trong khi lưới điện quốc gia có giới hạn về khả năng cung cấp, đặc biệt tại các khu vực ven biển và nội thành. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện công suất nhỏ vào lưới điện hạ thế là cần thiết để đánh giá tiềm năng phát triển điện gió công suất nhỏ, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và ổn định hệ thống. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các tua-bin gió công suất nhỏ khi hòa lưới điện hạ thế tại khu du lịch 30/4, huyện Cần Giờ, TP. Hồ Chí Minh, trong giai đoạn từ 2013 đến 2019, với mục tiêu mô phỏng và phân tích các sự cố như ngắn mạch 1 pha, 3 pha và ngắt tải nhằm đánh giá tác động lên lưới điện.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển năng lượng tái tạo tại các thành phố ven biển, góp phần giảm áp lực lên lưới điện quốc gia, đồng thời thúc đẩy ứng dụng điện gió công suất nhỏ trong bối cảnh phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về năng lượng gió và lưới điện phân phối, bao gồm:

  • Lý thuyết chuyển đổi năng lượng gió: Tua-bin gió chuyển đổi động năng của gió thành điện năng thông qua rôto và máy phát điện nam châm vĩnh cửu (PMSG hoặc PMA). Hiệu suất chuyển đổi và đặc tính công suất của tua-bin được mô hình hóa dựa trên tốc độ gió và cấu trúc tua-bin (trục ngang hoặc trục đứng).

  • Mô hình lưới điện hạ thế: Lưới điện hạ thế được mô phỏng dưới dạng mạng lưới phân phối với các bus, máy biến áp, và các điểm đấu nối tua-bin gió công suất nhỏ. Các đặc tính như điện áp, dòng điện, công suất tác dụng và phản kháng được phân tích.

  • Chất lượng điện năng và sóng hài: Đánh giá ảnh hưởng của tua-bin gió công suất nhỏ lên chất lượng điện năng, đặc biệt là độ méo hài tổng (THD), nhấp nháy điện áp và dao động điện áp khi xảy ra sự cố.

  • Mô hình sự cố ngắn mạch và ngắt tải: Mô phỏng các sự cố ngắn mạch 1 pha, 3 pha và ngắt tải để đánh giá khả năng phục hồi và tác động của tua-bin gió lên hệ thống.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất gió, tua-bin gió trục ngang và trục đứng, lưới điện hạ thế, sóng hài, sự cố ngắn mạch, và chất lượng điện năng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

  • Thu thập và phân tích dữ liệu thực tế: Dữ liệu về tốc độ gió, hướng gió, và đặc tính lưới điện tại khu vực nghiên cứu (khu du lịch 30/4, huyện Cần Giờ, TP. Hồ Chí Minh) được thu thập từ năm 2013 đến 2019.

  • Mô hình hóa và mô phỏng trên Matlab/Simulink: Hệ thống điện hạ thế và tua-bin gió công suất nhỏ được mô phỏng chi tiết, bao gồm các thành phần máy phát, bộ biến tần, và lưới điện phân phối. Các kịch bản sự cố như ngắn mạch 1 pha, 3 pha và ngắt tải được mô phỏng để phân tích ảnh hưởng.

  • Phân tích sóng hài và chất lượng điện năng: Sử dụng phân tích FFT để đánh giá độ méo hài tổng (THD) và các chỉ số chất lượng điện năng khác tại các điểm đấu nối tua-bin gió.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng dựa trên hệ thống điện thực tế tại khu du lịch 30/4 với các tua-bin gió công suất nhỏ vài kW, phù hợp với điều kiện địa phương và quy mô nghiên cứu.

  • Phân tích và tổng hợp kết quả: So sánh các kết quả mô phỏng với các tiêu chuẩn kỹ thuật về chất lượng điện năng và các quy định hiện hành để đưa ra đánh giá và đề xuất.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2018 đến tháng 4/2020, đảm bảo tính cập nhật và phù hợp với thực tế phát triển năng lượng gió tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tua-bin gió công suất nhỏ lên lưới điện hạ thế khi xảy ra sự cố ngắn mạch: Kết quả mô phỏng cho thấy khi xảy ra ngắn mạch 1 pha hoặc 3 pha, điện áp tại các điểm đấu nối tua-bin gió giảm nhưng hệ thống có khả năng tự phục hồi trạng thái ban đầu trong thời gian ngắn. Ví dụ, điện áp tại MCCB Nguyễn Văn Vấn giảm không quá 15% trong sự cố ngắn mạch 1 pha với tốc độ gió 5 m/s.

  2. Tác động đến công suất tác dụng và phản kháng: Công suất tác dụng và phản kháng tại các điểm đấu nối tua-bin gió biến động trong giới hạn cho phép khi có sự cố, đảm bảo ổn định hệ thống. Công suất tác dụng tại MCCB 2/9 giảm khoảng 10% trong sự cố ngắn mạch 3 pha, nhưng nhanh chóng phục hồi.

  3. Tăng độ méo hài tổng (THD) khi kết nối nhiều tua-bin công suất nhỏ: Khi số lượng tua-bin gió công suất nhỏ tăng lên, tổng độ méo hài điện áp và dòng điện tăng đáng kể, vượt mức quy định kỹ thuật về chất lượng điện năng (THD > 5%). Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến thiết bị điện và độ ổn định của lưới.

  4. Khả năng khai thác tiềm năng năng lượng gió tại khu vực ven biển Cần Giờ: Tốc độ gió trung bình tại khu vực dao động từ 2 đến 7 m/s, phù hợp để lắp đặt các tua-bin gió công suất nhỏ vài kW. Việc lắp đặt tua-bin công suất nhỏ tại đây có thể cung cấp nguồn năng lượng tái tạo, giảm áp lực lên lưới điện quốc gia.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân khả năng tự phục hồi của hệ thống khi xảy ra sự cố ngắn mạch là do đặc tính điều khiển và phản ứng nhanh của máy phát nam châm vĩnh cửu trong tua-bin gió, giúp duy trì ổn định điện áp và công suất. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về ổn định thoáng qua của tua-bin gió sử dụng máy phát PMSG.

Tuy nhiên, sự gia tăng độ méo hài tổng khi kết nối nhiều tua-bin công suất nhỏ là thách thức lớn, do các thành phần điện tử công suất trong bộ biến tần tạo ra sóng hài. Điều này đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật như bộ lọc sóng hài hoặc điều khiển nâng cao để giảm thiểu ảnh hưởng.

Việc khai thác năng lượng gió công suất nhỏ tại các khu vực ven biển như Cần Giờ có ý nghĩa lớn trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính. So với các dự án điện gió công suất lớn, tua-bin công suất nhỏ linh hoạt hơn trong lắp đặt và phù hợp với điều kiện không gian hạn chế tại các thành phố ven biển.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp, công suất và phân tích FFT sóng hài tại các điểm đấu nối, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của tua-bin gió công suất nhỏ lên lưới điện hạ thế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt tua-bin gió công suất nhỏ tại các khu vực ven biển và nội thành nhằm tận dụng tiềm năng gió, giảm áp lực lên lưới điện quốc gia, với mục tiêu tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo lên khoảng 5% trong 5 năm tới. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý năng lượng và nhà đầu tư.

  2. Áp dụng các giải pháp kỹ thuật giảm sóng hài như lắp đặt bộ lọc sóng hài chủ động hoặc thụ động tại các điểm đấu nối tua-bin gió để đảm bảo chất lượng điện năng, giảm độ méo hài tổng xuống dưới 5%. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: các nhà cung cấp thiết bị và đơn vị vận hành lưới điện.

  3. Nâng cao năng lực điều khiển và bảo vệ hệ thống bằng việc phát triển các thuật toán điều khiển máy phát và bộ biến tần, giúp tăng khả năng phản ứng nhanh với sự cố và duy trì ổn định điện áp. Thời gian nghiên cứu và triển khai: 2-3 năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  4. Xây dựng khung chính sách và hỗ trợ tài chính cho phát triển điện gió công suất nhỏ, bao gồm ưu đãi thuế, hỗ trợ đầu tư và giá mua điện hợp lý nhằm thu hút nhà đầu tư trong và ngoài nước. Thời gian thực hiện: 3-5 năm. Chủ thể: Bộ Công Thương, Bộ Tài chính và các cơ quan liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình và kết quả mô phỏng chi tiết về ảnh hưởng của điện gió công suất nhỏ lên lưới điện hạ thế, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

  2. Các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý năng lượng: Thông tin về tiềm năng năng lượng gió và các ảnh hưởng kỹ thuật giúp xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả hệ thống điện.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Cung cấp dữ liệu thực tế và phân tích kỹ thuật để đánh giá khả năng đầu tư, vận hành các dự án điện gió công suất nhỏ tại các khu vực ven biển và nội thành.

  4. Các đơn vị vận hành và quản lý lưới điện phân phối: Hướng dẫn kỹ thuật và giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của tua-bin gió công suất nhỏ lên chất lượng điện năng, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tua-bin gió công suất nhỏ có ảnh hưởng lớn đến lưới điện hạ thế không?
    Theo kết quả mô phỏng, tua-bin gió công suất nhỏ khi kết nối đơn lẻ có ảnh hưởng không đáng kể đến lưới điện hạ thế, hệ thống có khả năng tự phục hồi sau sự cố ngắn mạch. Tuy nhiên, khi số lượng tua-bin tăng lên, độ méo hài tổng tăng đáng kể, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

  2. Làm thế nào để giảm thiểu sóng hài do tua-bin gió công suất nhỏ gây ra?
    Có thể áp dụng các bộ lọc sóng hài chủ động hoặc thụ động, cải tiến thuật toán điều khiển bộ biến tần, và thiết kế hệ thống điện phù hợp để giảm thiểu sóng hài, đảm bảo THD dưới mức quy định.

  3. Tốc độ gió trung bình tại khu vực nghiên cứu có phù hợp để phát triển điện gió công suất nhỏ không?
    Tốc độ gió trung bình tại khu vực ven biển Cần Giờ dao động từ 2 đến 7 m/s, phù hợp để lắp đặt các tua-bin gió công suất nhỏ vài kW, đảm bảo hiệu suất phát điện ổn định.

  4. Các sự cố ngắn mạch ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống có tua-bin gió công suất nhỏ?
    Sự cố ngắn mạch 1 pha và 3 pha làm giảm điện áp tại các điểm đấu nối, nhưng hệ thống có khả năng tự phục hồi trạng thái ban đầu trong thời gian ngắn nhờ đặc tính điều khiển của máy phát nam châm vĩnh cửu.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các khu vực khác không?
    Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các khu vực ven biển và nội thành có điều kiện tương tự về tốc độ gió và cấu trúc lưới điện hạ thế, tuy nhiên cần điều chỉnh mô hình theo đặc thù địa phương.

Kết luận

  • Luận văn đã mô phỏng và phân tích thành công ảnh hưởng của tua-bin gió công suất nhỏ lên lưới điện hạ thế tại khu du lịch 30/4, huyện Cần Giờ, TP. Hồ Chí Minh, với các sự cố ngắn mạch và ngắt tải.

  • Kết quả cho thấy tua-bin gió công suất nhỏ có thể hòa lưới an toàn, hệ thống có khả năng tự phục hồi sau sự cố, tuy nhiên cần kiểm soát độ méo hài tổng khi số lượng tua-bin tăng.

  • Tiềm năng năng lượng gió tại khu vực ven biển Cần Giờ phù hợp để phát triển các dự án điện gió công suất nhỏ, góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng và giảm áp lực lên lưới điện quốc gia.

  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách hỗ trợ nhằm thúc đẩy phát triển điện gió công suất nhỏ, đảm bảo chất lượng điện năng và ổn định hệ thống.

  • Các bước tiếp theo bao gồm nghiên cứu nâng cao công nghệ điều khiển, phát triển bộ lọc sóng hài, và mở rộng khảo sát tại các khu vực khác để hoàn thiện mô hình và giải pháp.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các kết quả nghiên cứu này nhằm thúc đẩy sự phát triển bền vững của năng lượng tái tạo tại Việt Nam.