Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng điện ngày càng tăng cao trong bối cảnh phát triển kinh tế và xã hội, đồng thời việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Theo ước tính, năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, đang phát triển nhanh chóng và trở thành giải pháp quan trọng trong ngành sản xuất điện. Các tua bin gió sử dụng máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) được ứng dụng rộng rãi nhờ hiệu suất cao và khả năng điều khiển linh hoạt. Tuy nhiên, các nhà máy điện gió thường đặt xa khu dân cư, đòi hỏi truyền tải điện qua đường dây dài, dẫn đến giảm công suất truyền tải. Việc sử dụng tụ bù dọc trên đường dây truyền tải giúp tăng khả năng truyền tải công suất và ổn định lưới điện với chi phí thấp hơn nhiều so với xây dựng đường dây mới, ví dụ như nghiên cứu của ABB cho thấy tăng công suất 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 gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), một vấn đề nghiêm trọng làm mất ổn định hệ thống điện và có thể phá hủy tua bin gió nếu không được xử lý kịp thời. Hiện tượng SSR xảy ra do sự tương tác giữa hệ thống điện và tua bin máy phát ở tần số dưới tần số đồng bộ, gây ra dao động cơ điện nguy hiểm. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích hiện tượng SSR trong hệ thống điện gió sử dụng DFIG, mô phỏng hiện tượng này trên mô hình chuẩn IEEE First Benchmark bằng phần mềm Matlab/Simulink, đồng thời đề xuất và đánh giá hiệu quả của thiết bị Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) trong việc giảm thiểu SSR. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện gió công suất 100 MW sử dụng DFIG, mô hình hóa các phần tử trong lưới điện và ứng dụng TCSC với bộ điều khiển PI. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ ổn định và an toàn cho hệ thống điện gió, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư ngành kỹ thuật điện.

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 dao động điện và cơ xảy ra ở tần số dưới tần số đồng bộ trong hệ thống điện có sử dụng tụ bù dọc. SSR được phân loại thành ba dạng chính: Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE), mô men xoắn quá độ (TT), và tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI). SSR gây ra dao động mạnh, làm hư hại trục tua bin và thiết bị điện.

  • Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS): FACTS là các thiết bị điện tử công suất dùng để điều khiển dòng điện và điện áp trong hệ thống truyền tải nhằm nâng cao khả năng truyền tải và ổn định hệ thống. Trong đó, thiết bị TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator) là bộ bù dọc điều khiển bằng thyristor, có khả năng điều chỉnh trở kháng đường dây truyền tải để giảm thiểu SSR.

  • Mô hình lưới điện chuẩn IEEE First Benchmark tích hợp DFIG: Mô hình này bao gồm các phần tử như tua bin gió DFIG, đường dây truyền tải có tụ bù dọc, máy phát điện, và các thiết bị điều khiển. Mô hình toán học chi tiết của DFIG, hệ thống cơ khí tua bin, và bộ điều khiển được xây dựng để mô phỏng hiện tượng SSR.

  • Phương pháp phân tích SSR: Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng quá độ điện từ (Electro-magnetic transient simulation) trên phần mềm Matlab/Simulink để phân tích dao động SSR và đánh giá hiệu quả của TCSC. Ngoài ra, các phương pháp quét tần số, phân tích giá trị riêng và phức hợp hệ số mô men xoắn cũng được tham khảo để hiểu rõ đặc tính SSR.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu tham khảo từ các nghiên cứu trong và ngoài nước về SSR, mô hình chuẩn IEEE, dữ liệu kỹ thuật của DFIG công suất 1,5 MW, thông số đường dây truyền tải và thiết bị TCSC.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng quá độ điện từ bằng Matlab/Simulink trên mô hình IEEE First Benchmark tích hợp hệ thống điện gió DFIG công suất 100 MW. Các kịch bản mô phỏng được thực hiện với các cấp độ bù dọc khác nhau (50%, 60%, 70%) để khảo sát hiện tượng SSR.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập tài liệu và xây dựng cơ sở lý thuyết (tháng 5-7/2020), phát triển mô hình và bảo vệ chuyên đề (tháng 8-9/2020), xây dựng mô hình lưới điện và mô phỏng SSR (tháng 10-12/2020), đề xuất giải pháp TCSC và đánh giá (tháng 1/2021), hoàn thiện luận văn và bảo vệ (tháng 2-4/2021).

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình hệ thống điện gió 100 MW được xây dựng dựa trên mô hình chuẩn IEEE First Benchmark, đại diện cho hệ thống điện có tích hợp DFIG và tụ bù dọc. Phương pháp mô phỏng quá độ điện từ được chọn vì khả năng mô phỏng chi tiết các dao động phi tuyến và quá độ trong hệ thống điện.

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 60% và 70%, dao động mô men điện và điện áp đầu ra của DFIG xuất hiện các thành phần tần số dưới đồng bộ rõ rệt, biểu hiện qua phân tích FFT. Ở cấp bù 70%, biên độ dao động mô men điện tăng lên khoảng 2 pu, vượt ngưỡng an toàn, có nguy cơ gây hư hại trục tua bin.

  2. TCSC hiệu quả trong việc giảm SSR: Khi đưa thiết bị TCSC vào hệ thống, kết quả mô phỏng cho thấy biên độ dao động mô men điện giảm đáng kể, dao động điện áp đầu ra được ổn định hơn. Ở kịch bản sử dụng TCSC kết hợp với tụ bù dọc cố định (FSC), SSR được giảm mạnh hơn so với chỉ sử dụng TCSC đơn lẻ.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ gió và số lượng DFIG: Nghiên cứu 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. Số lượng DFIG lớn hơn làm tăng nguy cơ SSR do sự cộng hưởng phức tạp giữa các máy phát.

  4. So sánh các giải pháp giảm SSR: Giải pháp sử dụng TCSC kết hợp FSC cho hiệu quả giảm SSR cao nhất, giảm biên độ dao động mô men điện xuống dưới 0,7 pu, đảm bảo an toàn cho tua bin. Giải pháp chỉ dùng TCSC cũng có hiệu quả nhưng thấp hơn, trong khi các giải pháp truyền thống như bộ lọc tĩnh hay bộ ổn định động có hạn chế về phạm vi ứng dụng và chi phí.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng SSR xuất hiện chủ yếu do sự tương tác giữa tụ bù dọc trên đường dây truyền tải và tua bin gió DFIG, đặc biệt khi cấp độ bù dọc vượt quá khoảng 50%. Các dao động dưới đồng bộ này có thể gây ra hư hại cơ học nghiêm trọng cho tua bin, làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống điện gió. Việc sử dụng thiết bị TCSC với bộ điều khiển PI cho phép điều chỉnh trở kháng đường dây truyền tải một cách linh hoạt, từ đó giảm thiểu dao động SSR hiệu quả.

Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và trong nước, đồng thời khẳng định tính khả thi của giải pháp TCSC trong thực tiễn. Biểu đồ dao động mô men điện và điện áp đầu ra trước và sau khi sử dụng TCSC minh họa rõ ràng hiệu quả giảm SSR. Bảng so sánh các kịch bản mô phỏng cho thấy mức giảm dao động mô men điện đạt trên 60% khi sử dụng TCSC kết hợp FSC.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc điều chỉnh các tham số điều khiển của DFIG và khoảng cách kết nối đến lưới điện có thể góp phần giảm thiểu SSR. Tuy nhiên, việc áp dụng các giải pháp này cần cân nhắc chi phí và tính khả thi kỹ thuật trong từng trường hợp cụ thể.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thiết bị TCSC trong hệ thống điện gió sử dụng DFIG: Khuyến nghị các nhà vận hành và thiết kế hệ thống điện gió áp dụng TCSC với bộ điều khiển PI để giảm thiểu hiện tượng SSR, nâng cao độ ổn định và tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện trong vòng 12-18 tháng, 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 hạn chế SSR. Chủ thể thực hiện là các đơn vị quản lý lưới điện và nhà đầu tư dự án điện gió, với kế hoạch điều chỉnh trong 6-12 tháng.

  3. Nâng cao năng lực mô phỏng và phân tích SSR: Khuyến khích các trung tâm nghiên cứu và trường đại học đầu tư phát triển mô hình mô phỏng SSR chi tiết, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink và EMTP để đánh giá các giải pháp kỹ thuật. Thời gian triển khai liên tục, cập nhật theo tiến bộ công nghệ.

  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 hệ thống điện gió. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp điện lực, với kế hoạch đào tạo định kỳ hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống điện gió: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về hiện tượng SSR và giải pháp kỹ thuật TCSC, giúp họ thiết kế hệ thống truyền tải điện gió an toàn và hiệu quả hơn.

  2. Nhà quản lý và vận hành lưới điện: Các thông tin về ảnh hưởng của tụ bù dọc và cách giảm thiểu SSR hỗ trợ trong việc ra quyết định vận hành và bảo trì hệ thống điện gió, giảm thiểu rủi ro sự cố.

  3. Giảng viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Tài liệu nghiên cứu chi tiết về mô hình toán học, phương pháp mô phỏng và phân tích SSR là nguồn tham khảo quý giá cho giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

  4. Nhà đầu tư và phát triển dự án năng lượng tái tạo: Hiểu rõ các rủi ro kỹ thuật liên quan đến SSR và giải pháp giảm thiểu giúp họ đánh giá tính khả thi và an toàn của dự án điện gió, từ đó tối ưu hóa chi phí và hiệu quả đầu tư.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) là gì?
    SSR là hiện tượng dao động điện và cơ xảy ra ở tần số dưới tần số đồng bộ trong hệ thống điện có sử dụng tụ bù dọc, gây ra dao động mạnh có thể làm hư hại tua bin và thiết bị điện.

  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 đồng thời tạo thành mạch R-L-C với tần số cộng hưởng dưới tần số đồng bộ, dẫn đến hiện tượng 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, điều chỉnh linh hoạt điện kháng để phá vỡ điều kiện cộng hưởng, từ đó giảm dao động SSR hiệu quả.

  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 dao động SSR và đánh giá hiệu quả các giải pháp giảm thiểu.

  5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm SSR trong hệ thống điện gió?
    Giải pháp sử dụng TCSC kết hợp với tụ bù dọc cố định (FSC) được mô phỏng cho thấy hiệu quả giảm SSR cao nhất, giảm biên độ dao động mô men điện xuống mức an toàn dưới 0,7 pu.

Kết luận

  • Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) là vấn đề nghiêm trọng trong hệ thống điện gió sử dụng DFIG với tụ bù dọc trên đường dây truyền tải.
  • Mô phỏng trên mô hình chuẩn IEEE First Benchmark bằng Matlab/Simulink cho thấy SSR xảy ra rõ rệt ở cấp độ bù dọc trên 50%, gây dao động mô men điện và điện áp nguy hiểm.
  • Thiết bị TCSC với bộ điều khiển PI được đề xuất và mô phỏng cho thấy khả năng giảm thiểu SSR hiệu quả, ổn định hệ thống điện gió.
  • Giải pháp TCSC kết hợp tụ bù dọc cố định (FSC) mang lại hiệu quả cao nhất trong việc giảm dao động SSR.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế thiết bị TCSC, đào tạo kỹ thuật viên và tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa giải pháp cho các hệ thống điện gió quy mô lớn hơn.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị vận hành và thiết kế hệ thống điện gió nên áp dụng giải pháp TCSC để nâng cao độ ổn định và an toàn cho hệ thống, đồng thời tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ giảm thiểu SSR.