Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao đặt ra thách thức lớn cho sự phát triển bền vững của nền kinh tế toàn cầu. Trong đó, năng lượng điện giữ vai trò then chốt, nhưng việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong các nhà máy nhiệt điện gây ra lượng lớn khí thải nhà kính và ô nhiễm không khí, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường. Đồng thời, nguồn nhiên liệu hóa thạch là tài nguyên có hạn, đang dần cạn kiệt. Do đó, nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam, đã đẩy mạnh ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực và đảm bảo an ninh năng lượng.

Các tua bin gió sử dụng máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) được ứng dụng rộng rãi nhờ hiệu suất cao, khả năng điều khiển linh hoạt và giảm tiếng ồn. Tuy nhiên, các nhà máy điện gió thường đặt ở vùng xa dân cư, đòi hỏi truyền tải điện qua đường dây dài. Việc sử dụng tụ bù dọc trên đường dây truyền tải giúp tăng công suất truyền tải và ổn định lưới điện với chi phí thấp hơn nhiều so với xây dựng đường dây mới. Một nghiên cứu của ABB cho thấy việc tăng công suất truyền tải từ 1300 MW lên 2000 MW bằng tụ bù dọc có chi phí thấp hơn 90% so với xây dựng đường dây mới.

Tuy nhiên, việc sử dụng tụ bù dọc cũng gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), làm mất ổn định hệ thống điện và có thể phá hủy tua bin gió nếu không được kiểm soát kịp thời. Hiện tượng SSR là một vấn đề kỹ thuật quan trọng, đặc biệt trong hệ thống điện có tích hợp nguồn năng lượng gió sử dụng DFIG. Luận văn tập trung nghiên cứu hiện tượng SSR trong hệ thống điện gió DFIG kết nối với lưới điện có sử dụng tụ bù dọc, đồng thời đề xuất và đánh giá hiệu quả của thiết bị TCSC trong việc giảm thiểu hiện tượng này. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình chuẩn IEEE First Benchmark tích hợp DFIG, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng và phân tích.

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 sau:

  • Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR): SSR là hiện tượng trao đổi năng lượng giữa tua bin máy phát và lưới điện ở tần số dưới tần số đồng bộ, gây ra dao động cơ điện có thể làm hư hỏng trục tua bin. SSR được phân loại thành ba loại chính: Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE), Tác động xoắn (TI), và Mô men xoắn quá độ (TT).

  • Hệ thống tụ bù dọc (Series Capacitive Compensation): Tụ bù dọc được mắc nối tiếp trên đường dây truyền tải nhằm giảm trở kháng tổng thể, tăng khả năng truyền tải công suất và cải thiện ổn định điện áp. Cấp độ bù dọc (k) thường nằm trong khoảng 0,4 đến 0,7, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất truyền tải tối đa.

  • Thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System): Các thiết bị FACTS như TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator) được sử dụng để điều khiển trở kháng đường dây truyền tải, từ đó giảm thiểu hiện tượng SSR. TCSC có khả năng điều chỉnh linh hoạt điện kháng nối tiếp, giúp ngăn chặn dao động dưới đồng bộ.

  • Phương pháp phân tích SSR: Luận văn áp dụng các phương pháp phân tích chính gồm Phương pháp quét tần số (Frequency Scan), Phân tích giá trị riêng (Eigenvalue Analysis), Phương pháp phức hợp hệ số mô men xoắn (Complex Torque Coefficient Method), và Mô phỏng quá độ điện từ (Electro-magnetic Transient Simulation). Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, được lựa chọn phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng mô hình lưới điện chuẩn IEEE First Benchmark tích hợp hệ thống điện gió DFIG công suất 100 MW. Các thông số kỹ thuật của DFIG, đường dây truyền tải và tụ bù dọc được lấy từ tài liệu chuẩn và các nghiên cứu trước.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hiện tượng SSR và đánh giá hiệu quả của thiết bị TCSC trong việc giảm SSR. Mô hình toán học chi tiết của DFIG, hệ thống tụ bù dọc và TCSC được xây dựng dựa trên các công trình khoa học uy tín.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 5/2020 đến tháng 4/2021, bao gồm thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện gió 100 MW với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn, đại diện cho các nhà máy điện gió quy mô vừa và lớn. Phương pháp mô phỏng được chọn nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng áp dụng thực tiễn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng SSR xảy ra ở các cấp độ bù dọc cao: Mô phỏng cho thấy khi cấp độ bù dọc đạt từ 50% trở lên, hiện tượng SSR bắt đầu xuất hiện rõ rệt với dao động mô men xoắn trên trục tua bin tăng lên đáng kể. Ở cấp bù 70%, biên độ dao động mô men điện tăng gần gấp đôi so với cấp bù 50%, làm tăng nguy cơ hư hỏng trục tua bin.

  2. TCSC hiệu quả trong việc giảm SSR: Khi thiết bị TCSC được tích hợp vào hệ thống, dao động mô men xoắn giảm trung bình khoảng 40-60% tùy theo kịch bản mô phỏng. Thiết bị này điều chỉnh trở kháng nối tiếp linh hoạt, làm giảm biên độ dao động dưới đồng bộ và ổn định hệ thống điện gió.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ gió và số lượng DFIG: Kết quả phân tích cho thấy tốc độ gió thay đổi ảnh hưởng đến đặc tính trở kháng của hệ thống, từ đó tác động đến mức độ SSR. Ngoài ra, số lượng DFIG trong hệ thống càng lớn thì nguy cơ SSR càng cao, đặc biệt khi kết hợp với cấp độ bù dọc lớn.

  4. So sánh các giải pháp giảm SSR: Giải pháp sử dụng TCSC kết hợp với tụ bù dọc cố định (FSC) cho hiệu quả giảm SSR tốt hơn so với chỉ sử dụng TCSC đơn lẻ, giảm dao động mô men xoắn thêm khoảng 15%. Tuy nhiên, chi phí và độ phức tạp của hệ thống cũng tăng theo.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng SSR là hệ quả tất yếu khi sử dụng tụ bù dọc để tăng công suất truyền tải trên đường dây dài, đặc biệt trong hệ thống điện gió sử dụng DFIG. Các dao động dưới đồng bộ gây ra bởi SSR có thể làm hư hại nghiêm trọng trục tua bin, dẫn đến tổn thất kinh tế lớn và giảm tuổi thọ thiết bị. Kết quả mô phỏng cho thấy mức độ nghiêm trọng của SSR tăng theo cấp độ bù dọc và số lượng DFIG, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế.

Việc ứng dụng thiết bị TCSC được chứng minh là giải pháp hiệu quả trong việc giảm thiểu SSR nhờ khả năng điều chỉnh trở kháng nối tiếp linh hoạt. So với các phương pháp truyền thống như bộ lọc tĩnh hay bộ ổn định động, TCSC mang lại hiệu quả cao hơn và có thể điều khiển chính xác hơn. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy sự kết hợp TCSC với tụ bù dọc cố định (FSC) giúp tăng cường khả năng giảm dao động, tuy nhiên cần cân nhắc chi phí và độ phức tạp trong triển khai thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dao động mô men xoắn theo thời gian ở các cấp độ bù khác nhau, biểu đồ so sánh biên độ dao động trước và sau khi sử dụng TCSC, cũng như bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và kết quả mô phỏng. Những biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng tác động của SSR và hiệu quả của giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thiết bị TCSC trong các hệ thống điện gió sử dụng DFIG: Khuyến nghị các nhà vận hành và thiết kế hệ thống điện gió tích hợp TCSC để giảm thiểu hiện tượng SSR, nâng cao độ ổn định và tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, ưu tiên các dự án có cấp độ bù dọc trên 50%.

  2. Tối ưu hóa cấp độ bù dọc trên đường dây truyền tải: Đề xuất điều chỉnh cấp độ bù dọc trong khoảng 40-60% để cân bằng giữa tăng công suất truyền tải và giảm nguy cơ SSR. Chủ thể thực hiện là các đơn vị quản lý lưới điện và nhà đầu tư dự án.

  3. Nâng cao năng lực giám sát và phát hiện SSR: Xây dựng hệ thống giám sát dao động dưới đồng bộ và cảnh báo sớm SSR bằng các thiết bị cảm biến tốc độ rô to và dòng điện. Thời gian triển khai 6-12 tháng, do các công ty cung cấp thiết bị và đơn vị vận hành thực hiện.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về hiện tượng SSR, phương pháp phân tích và giải pháp giảm thiểu cho đội ngũ kỹ sư vận hành và bảo trì. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, do các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia ngành điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về hiện tượng SSR và giải pháp giảm thiểu, giúp kỹ sư vận hành và thiết kế hệ thống điện gió nâng cao hiệu quả và độ an toàn.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo bền vững, đồng thời đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện quốc gia.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống điện, năng lượng tái tạo và các thiết bị FACTS.

  4. Nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển dự án điện gió: Hiểu rõ các rủi ro kỹ thuật liên quan đến SSR và các giải pháp kỹ thuật giúp tối ưu hóa đầu tư, giảm thiểu tổn thất và nâng cao hiệu quả vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) là gì?
    SSR là hiện tượng dao động năng lượng giữa tua bin máy phát và lưới điện ở tần số thấp hơn tần số đồng bộ, có thể gây hư hại trục tua bin và mất ổn định hệ thống. Ví dụ, SSR đã gây hư hỏng trục tua bin tại nhà máy Mohave (Mỹ) vào những năm 1970.

  2. Tại sao tụ bù dọc lại gây ra SSR?
    Tụ bù dọc làm giảm trở kháng đường dây truyền tải, tăng công suất truyền tải nhưng cũng tạo thành mạch R-L-C với tần số cộng hưởng dưới tần số đồng bộ, dẫn đến dao động cộng hưởng dưới đồng bộ.

  3. Thiết bị TCSC hoạt động như thế nào để giảm SSR?
    TCSC điều khiển trở kháng nối tiếp trên đường dây truyền tải bằng thyristor, giúp điều chỉnh linh hoạt điện kháng, từ đó giảm biên độ dao động dưới đồng bộ và ổn định hệ thống điện gió.

  4. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng để nghiên cứu SSR?
    Phương pháp mô phỏng quá độ điện từ (Electro-magnetic Transient Simulation) trên phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng để mô phỏng chi tiết hiện tượng SSR và đánh giá hiệu quả của TCSC.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu nguy cơ SSR trong hệ thống điện gió?
    Ngoài việc sử dụng TCSC, có thể điều chỉnh cấp độ bù dọc hợp lý, sử dụng bộ lọc tĩnh, bộ ổn định động, và nâng cao giám sát hệ thống để phát hiện và xử lý kịp thời các dao động dưới đồng bộ.

Kết luận

  • Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) là thách thức lớn trong hệ thống điện gió sử dụng DFIG, đặc biệt khi áp dụng tụ bù dọc trên đường dây truyền tải.
  • Mô hình chuẩn IEEE First Benchmark tích hợp DFIG và phần mềm Matlab/Simulink là công cụ hiệu quả để phân tích và mô phỏng SSR.
  • Thiết bị TCSC được chứng minh có khả năng giảm đáng kể dao động SSR, nâng cao độ ổn định và bảo vệ thiết bị trong hệ thống điện gió.
  • Đề xuất triển khai TCSC kết hợp với điều chỉnh cấp độ bù dọc và nâng cao giám sát hệ thống để giảm thiểu rủi ro SSR trong thực tế.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu trên các mô hình hệ thống lớn hơn, thử nghiệm thực tế và phát triển các thuật toán điều khiển TCSC tối ưu hơn.

Hành động ngay hôm nay: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vận hành hệ thống điện gió nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả và độ an toàn của hệ thống, đồng thời tiếp tục phát triển các giải pháp kỹ thuật mới nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng tái tạo ngày càng tăng.