Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của nguồn năng lượng tái tạo đang định hình lại cấu trúc hệ thống điện toàn cầu, trong đó điện gió chiếm tỷ trọng tăng trưởng ấn tượng. Để kết nối các trang trại điện gió công suất lớn ở vùng sâu, vùng xa về trung tâm phụ tải qua khoảng cách hơn 200 km, giải pháp lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải điện xoay chiều cao áp được ưu tiên áp dụng. Theo báo cáo kỹ thuật từ tập đoàn ABB, việc sử dụng tụ bù dọc để nâng công suất truyền tải từ 1300 MW lên 2000 MW giúp tiết kiệm hơn 90% chi phí đầu tư so với phương án xây mới đường dây. Tuy nhiên, sự xuất hiện của tụ bù dọc trên lưới lại tiềm ẩn nguy cơ gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ, đe dọa trực tiếp đến tính ổn định của hệ thống điện và gây nứt gãy các trục cơ khí tua bin máy phát. Sự cố thực tế tại Hội đồng An toàn Điện Texas vào năm 2009 và sự cố gãy trục tua bin tổ máy số 1 tại Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 vào tháng 11 năm 2015 là những minh chứng rõ nét cho mức độ tàn phá của hiện tượng này.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán phân tích, khảo sát hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ khi tích hợp trang trại điện gió sử dụng máy phát điện cảm ứng nguồn kép công suất 100 MW (tổ hợp từ 66 tổ máy 1,5 MW) vào mô hình chuẩn đầu tiên IEEE First Benchmark trên cấp điện áp 161 kV. Mục tiêu trọng tâm là làm rõ cơ chế phát sinh dao động ở các cấp độ bù từ 30% đến 70%, đồng thời đề xuất ứng dụng thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor nhằm triệt tiêu hoàn toàn dao động nguy hiểm. Đề tài được hoàn thành vào tháng 4 năm 2021 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, mang lại giải pháp kỹ thuật giúp nâng cao hơn 95% biên độ an toàn cơ điện cho hệ thống truyền tải năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác dưới đồng bộ và hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt. Hiện tượng tương tác dưới đồng bộ được phân loại thành ba nhóm chính: cộng hưởng dưới đồng bộ, tương tác xoắn dưới đồng bộ và tương tác điều khiển dưới đồng bộ. Trong đó, cộng hưởng dưới đồng bộ xuất hiện khi tần số dao động điện tự nhiên của mạch R-L-C nhỏ hơn tần số đồng bộ 50 Hz của hệ thống, bao gồm hiệu ứng máy phát cảm ứng, tác động xoắn và mô men xoắn quá độ.

Về mặt truyền tải, mối quan hệ giữa công suất tác dụng cực đại và hệ số bù dọc $k$ trên đường dây được biểu diễn qua công thức giải tích mạch điện. Khi hệ số bù $k$ tăng từ 30% lên 75%, khả năng truyền tải công suất của đường dây tăng tương ứng từ 50% lên đến 400%. Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép được phân tích trên hệ tọa độ quay d-q, kết hợp mô hình động lực học hai khối mô tả trục tua bin và máy phát thông qua hằng số quán tính, hệ số suy giảm dao động và độ cứng trục.

Để ngăn chặn hiện tượng dao động này, thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor được lựa chọn. Thiết bị gồm một tụ điện mắc song song với cuộn cảm nối tiếp cặp van thyristor đấu song song ngược. Bằng cách điều chỉnh góc kích trong dải chế độ Vernier, thiết bị cho phép thay đổi liên tục tổng trở tương đương ở tần số cơ bản và tần số dưới đồng bộ, triệt tiêu hiệu ứng tự kích từ của máy phát điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu sử dụng các thông số tiêu chuẩn của mô hình lưới điện IEEE First Benchmark cấp điện áp 161 kV, kết hợp cụm 66 tua bin gió công suất định mức 1,5 MW tạo thành trang trại điện gió 100 MW. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm tập hợp 66 tổ máy đồng nhất về đặc tính khí động học và điện khí nén nhằm mô phỏng chính xác đáp ứng công suất quy mô lớn mà không làm phức tạp hóa thời gian tính toán vi phân.

Nghiên cứu áp dụng phối hợp phương pháp phân tích quét tần số, phân tích giá trị riêng của ma trận không gian trạng thái tuyến tính hóa và mô phỏng quá độ điện từ phi tuyến trong miền thời gian trên phần mềm Matlab/Simulink. Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng quá độ điện từ là vì phương pháp này cho phép khảo sát chính xác tính phi tuyến của bộ biến đổi công suất phía rô to và phía lưới, phản ánh chân thực dạng sóng mô men điện và điện áp khi xảy ra sự cố quá độ mà phương pháp phân tích giải tích thông thường không thể hiện đầy đủ. Lộ trình nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt từ tháng 5 năm 2020 đến tháng 4 năm 2021 qua các giai đoạn xây dựng mô hình toán, lập trình mô phỏng và đánh giá hiệu năng giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích động học hệ thống đã ghi nhận các phát hiện then chốt sau:

Thứ nhất, mức độ dao động cộng hưởng dưới đồng bộ phụ thuộc trực tiếp vào cấp độ bù dọc của đường dây. Khi cấp độ bù đạt mức 50%, 60% và 70%, hệ thống xuất hiện dao động mô men điện và điện áp đầu ra không suy giảm. Phân tích phổ biến đổi Fourier nhanh cho thấy sự xuất hiện rõ rệt của các thành phần tần số sóng hài dưới đồng bộ nằm trong dải từ 15 Hz đến 35 Hz.

Thứ hai, biên độ mô men xoắn cơ điện trên trục máy phát tăng vọt vượt ngưỡng 2,0 pu trong điều kiện bù cố định ở mức bù 70%. Mức ứng suất dao động này khiến tuổi thọ trục máy phát suy giảm nghiêm trọng và dẫn đến nguy cơ gãy trục hoàn toàn sau khoảng 1000 chu kỳ dao động mỏi cơ học.

Thứ ba, việc tích hợp thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor mang lại hiệu quả giảm chấn vượt bậc. Tại thời điểm 4,0 giây trong kịch bản mô phỏng, biên độ dao động mô men điện giảm hơn 95% so với trường hợp sử dụng tụ bù cố định, đưa độ lệch điện áp thanh cái về mức ổn định danh định 1,0 pu và duy trì công suất phát 100 MW liên tục.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gây mất ổn định được giải thích do hiện tượng trượt âm của máy phát cảm ứng nguồn kép ở tần số dưới đồng bộ. Khi dòng điện tần số thấp đi vào mạch rô to, điện trở tương đương của mạch máy phát trở thành giá trị âm và triệt tiêu điện trở dương của đường dây, hình thành trạng thái tự kích từ liên tục. Đồng thời, vòng lặp điều khiển của bộ biến đổi phía rô to tương tác với dung kháng đường dây làm khuếch đại biên độ dòng dao động.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về cơ chế tương tác điều khiển dưới đồng bộ, nhưng đề tài đã chứng minh thêm rằng việc kết hợp thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor mang lại tính kinh tế và hiệu quả kỹ thuật vượt trội hơn so với việc lắp đặt bộ bù tĩnh SVC hay bộ lọc thụ động vốn gây tổn thất thêm khoảng 2% đến 3% công suất truyền tải. Các dữ liệu đáp ứng quá độ có thể được trình bày trực quan thông qua biểu đồ miền thời gian của mô men điện $T_e$, phổ FFT dòng stato và bảng so sánh độ giảm dao động giữa các kịch bản bù 50%, 60% và 70% trước và sau khi kích hoạt bộ điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm kiểm soát triệt để hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong các hệ thống điện gió kết nối lưới có bù dọc, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

Thứ nhất, triển khai lắp đặt thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor thay thế một phần hoặc toàn bộ hệ thống tụ bù cố định trên các tuyến đường dây truyền tải cao áp 110 kV - 500 kV giải tỏa công suất điện gió. Thiết bị cần được cấu hình góc kích trong dải 140 độ đến 180 độ để cung cấp điện kháng giảm chấn chủ động, đặt mục tiêu dập tắt dao động quá độ trong vòng dưới 0,5 giây. Thời gian thực hiện khuyến nghị trong vòng 12 đến 18 tháng, chủ thể chịu trách nhiệm là Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia.

Thứ hai, tối ưu hóa các thông số vòng điều khiển dòng điện và điện áp trên bộ biến đổi phía rô to và phía lưới của cụm tua bin gió. Kỹ sư vận hành cần hiệu chỉnh bộ điều khiển PI nhằm tăng hệ số suy giảm dao động âm ở dải tần số từ 10 Hz đến 40 Hz, giảm thời gian phục hồi điện áp xuống dưới 0,2 giây. Tiến độ hoàn thành trong vòng 6 tháng bởi các đơn vị vận hành nhà máy điện gió.

Thứ ba, trang bị rơ le bảo vệ kỹ thuật số tích hợp thuật toán phát hiện dao động dưới đồng bộ theo thời gian thực tại các trạm biến áp gom công suất. Thiết bị bảo vệ phải có khả năng gửi tín hiệu đóng ngắt mạch vòng bypass hoặc tách tụ bù trong thời gian từ 50 ms đến 100 ms khi biên độ dòng dao động vượt quá ngưỡng an toàn 0,15 pu. Chủ thể thực hiện là Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia.

Thứ tư, hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật đấu nối lưới điện đối với các nhà máy năng lượng tái tạo quy mô từ 50 MW trở lên. Bắt buộc 100% các dự án phải thực hiện mô phỏng đánh giá nguy cơ cộng hưởng dưới đồng bộ trước khi hòa lưới. Lộ trình áp dụng trong giai đoạn từ năm 2022 đến năm 2025 dưới sự điều phối của Bộ Công Thương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho bốn nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện. Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp xây dựng mô hình toán học cho hệ thống máy phát nguồn kép DFIG 100 MW và quy trình mô phỏng hiện tượng tương tác điện từ trên nền tảng Matlab/Simulink.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn hệ thống điện. Tài liệu này cung cấp các phân tích kỹ thuật chuyên sâu và nguyên lý tính toán dung lượng bù dọc tối ưu từ 40% đến 70%, hỗ trợ trực tiếp cho công tác thiết kế trạm biến áp và tuyến đường dây truyền tải liên kết.

Nhóm thứ ba là đội ngũ kỹ sư vận hành tại các trung tâm điều độ và nhà máy điện gió. Luận văn cung cấp hướng dẫn cài đặt thông số bộ điều khiển thiết bị truyền tải linh hoạt FACTS và giải pháp xử lý sự cố dao động công suất, giúp ngăn ngừa rủi ro hư hỏng thiết bị đắt tiền.

Nhóm thứ tư là các nhà đầu tư và cơ quan quản lý năng lượng. Báo cáo kinh tế kỹ thuật trong luận văn chỉ ra phương án tiết kiệm đến 90% chi phí xây dựng hạ tầng truyền tải thông qua tụ bù dọc kết hợp thiết bị điều khiển hiện đại, phục vụ hiệu quả cho việc lập dự án đầu tư nguồn điện xanh.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong lưới điện tích hợp máy phát DFIG là gì? Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ là tình trạng lưới điện trao đổi năng lượng với hệ thống tua bin máy phát ở các tần số tự nhiên thấp hơn tần số đồng bộ 50 Hz. Khi đường dây có tụ bù dọc, tương tác điện từ giữa dung kháng tụ bù và điện cảm máy phát DFIG gây ra dao động tự kích, dẫn đến nguy cơ quá điện áp và phá hủy trục cơ khí tua bin.

Tại sao vẫn sử dụng tụ bù dọc dù tồn tại nguy cơ xảy ra cộng hưởng dưới đồng bộ? Tụ bù dọc là giải pháp kinh tế kỹ thuật vượt trội giúp giảm trở kháng đường dây, nâng khả năng truyền tải công suất lên từ 50% đến 400% ở các mức bù từ 30% đến 75%. Theo đánh giá của ABB, việc lắp đặt tụ bù dọc giúp tiết kiệm tới 90% chi phí đầu tư xây lắp so với phương án kéo mới các tuyến đường dây truyền tải dài trên 200 km.

Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor dập tắt dao động SSR bằng cách nào? Thiết bị sử dụng cặp van thyristor điều khiển cuộn cảm mắc song song với tụ điện. Bằng cách thay đổi linh hoạt góc kích từ 140 độ đến 180 độ, thiết bị liên tục biến đổi trở kháng tương đương ở dải tần số dưới đồng bộ, tạo ra hệ số suy giảm dao động dương giúp dập tắt hoàn toàn các dao động điện từ và cơ học chỉ sau khoảng 0,3 đến 0,5 giây.

Sự khác biệt cốt lõi giữa hiện tượng SSR truyền thống và hiện tượng SSCI trong điện gió là gì? Hiện tượng SSR truyền thống xuất phát từ sự cộng hưởng cơ điện giữa dao động trục của máy phát đồng bộ và mạch điện LC của lưới. Trong khi đó, hiện tượng SSCI trong hệ thống điện gió DFIG là tương tác điều khiển thuần túy điện từ giữa các vòng lặp điều khiển nhanh của bộ biến đổi công suất và tụ bù dọc, có tốc độ phát triển biên độ dao động nhanh hơn nhiều lần.

Mô hình IEEE First Benchmark có vai trò gì trong việc đánh giá giải pháp này? Mô hình IEEE First Benchmark là mô hình lưới điện chuẩn quốc tế cấp điện áp 161 kV được thiết kế chuyên biệt để nghiên cứu hiện tượng dao động dưới đồng bộ. Việc tích hợp trang trại DFIG 100 MW vào mô hình này đảm bảo tính chuẩn hóa, độ tin cậy khoa học và cho phép kiểm chứng chính xác hiệu năng giảm chấn của thiết bị bù trước khi đưa vào ứng dụng thực tế.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá và triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện gió tích hợp máy phát DFIG thông qua các kết luận chính sau:

  • Xác định rõ dải mức bù dọc nguy hiểm từ 50% đến 70% gây bùng phát dao động tự kích từ và sóng hài dưới đồng bộ từ 15 Hz đến 35 Hz.
  • Xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng chi tiết trang trại điện gió 100 MW gồm 66 tổ máy DFIG trên lưới điện chuẩn IEEE First Benchmark 161 kV.
  • Chứng minh tính hiệu quả vượt trội của thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor khi giảm hơn 95% biên độ dao động mô men xoắn cơ điện chỉ sau 0,4 giây kích hoạt.
  • Đề xuất giải pháp phối hợp giữa điều khiển góc kích Vernier và tối ưu hóa bộ điều khiển PI trên các bộ biến đổi công suất phía rô to và phía lưới.
  • Đóng góp nguồn tài liệu học thuật và mô hình kiểm nghiệm thực nghiệm có giá trị cao cho ngành kỹ thuật điện và năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Trong giai đoạn 2022 - 2025, hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung mở rộng kiểm nghiệm trên mô hình lưới điện thực tế 500 kV/220 kV tích hợp đa trang trại gió và mặt trời. Các đơn vị quản lý vận hành và nhà nghiên cứu hãy áp dụng ngay các giải pháp kỹ thuật từ luận văn để tối ưu hóa an toàn truyền tải điện năng lượng tái tạo.