Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu Ngày nay, việc đốt nhiên liệu hóa thạch trong các nhà máy điện có ảnh hưởng đáng kể đến khí hậu toàn cầu do khí nhà kính và gây ô nhiễm không khí, làm ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch là một nguồn tài nguyên hữu hạn, có khả năng bị cạn kiệt khi bị khai thác một cách quá mức. Vì những lý do này, ở nhiều quốc gia, việc sử dụng các nguồn năng lượng điện ít khí thải và đáng tin cậy đang trở thành một chính sách năng lượng quan trọng. Trong số các loại tài nguyên năng lượng sạch khác nhau như năng lượng mặt trời, gió, thủy điện, năng lượng sóng biển, v., Năng lượng gió là dạng năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất ở thời điểm hiện tại.
Tua bin gió máy phát tốc độ có thể điều chỉnh (ASGWT - adjustable speed generator wind turbine) có những ưu điểm chính so với tua bin gió máy phát điện cố định (FSGWT - fixed speed generator wind turbine) về mặt sản xuất năng lượng tăng, cải thiện chất lượng điện năng, hiệu quả hệ thống cao và giảm tiếng ồn. Một loại quan trọng của ASGWT là máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG), đã trở nên phổ biến với ngành sản xuất điện. Do sự tích hợp ngày càng tăng của các nhà máy điện gió sử dụng DFIG vào lưới điện, nên cần phải truyền năng lượng được tạo ra từ các nhà máy gió đến lưới điện hiện có thông qua đường dây truyền tải mà không bị tắc nghẽn. Tuy nhiên, các nhà máy điện gió, thường nằm ở vùng sâu vùng xa, cách xa phần lớn khu vực người dân sinh sống, đòi hỏi các đường dây truyền tải dài để kết nối với lưới điện.
Các tùy chọn hệ thống truyền tải để truyền năng lượng điện gió qua khoảng cách xa là HVAC hoặc HVDC. Việc so sánh hai lựa chọn này đã được nghiên cứu trong tài liệu [2 - 3]. Giải pháp HVAC có khả năng cho khoảng cách truyền lên tới 250 km và khi kết hợp với hệ thống bù dọc, nó có thể cho khoảng cách dài hơn 250 km [4]. LUẬN VĂN THẠC SĨ 6 HVTH: TĂNG HOÀNG NAM GVHD: TS.
NGUYỄN NHÂN BỔN Trong thị trường điện mong muốn tăng khả năng truyền tải điện của các đường dây truyền tải hiện có với chi phí thấp nhất. Bù dọc được coi là một giải pháp kinh tế hơn để tăng khả năng truyền tải điện của một đường dây truyền tải hiện có so với việc xây dựng các đường truyền mới. Các nghiên cứu cho thấy, để tăng công suất truyền của đường dây truyền tải hiện có, tổng chi phí lắp đặt các tụ bù dọc cho đường dây thấp hơn nhiều so với chi phí xây dựng đường dây mới. Lấy ví dụ, một nghiên cứu được thực hiện bởi ABB cho thấy việc tăng khả năng truyền tải điện của một đường dây truyền tải hiện có từ 1300 MW lên 2000 MW bằng cách sử dụng tụ bù dọc thấp hơn 90% so với chi phí xây dựng đường truyền mới [1].
Tuy nhiên, một yếu tố cản trở việc sử dụng rộng rãi của kỹ thuật bù dọc là nguy cơ tiềm ẩn của cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), nó có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng đến nhà máy điện gió, nếu không được ngăn chặn [4]. SSR trong các hệ thống điện gió là trạng thái mà nhà máy điện gió trao đổi năng lượng với lưới điện được kết nối ở một hoặc nhiều tần số tự nhiên của phần điện và phần cơ của hệ thống. Tần số của năng lượng trao đổi nằm dưới tần số đồng bộ của hệ thống. Ba loại SSR khác nhau trong các hệ thống điện có tích hợp điện gió dử dụng DFIG là: • Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE – Induction Generator Effect).
• Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI). Mặc dù việc phân tích và giảm SSR trong các hệ thống điện truyền thống rất được quan tâm và đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới. Vấn đề cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện có tích hợp điện gió cần phải được nghiên cứu và phân tích nhiều hơn. Đặc biệt, sau sự kiện SSR xảy ra trong Hội đồng An Toàn Điện Texas (ERCOT) năm 2009, ngành điện gió đã trở nên khá quan tâm đến các nghiên cứu SSR.
Trong sự việc xảy ra SSR của ERCOT, một đường dây bị sự cố và gây mất điện trong hệ thống điện gió lớn có kết nối với đường dây truyền tải có các tụ bù dọc, dẫn đến dao động dưới tần số đồng bộ gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho cả tụ điện bù dọc và tua bin gió [5 - 6]. LUẬN VĂN THẠC SĨ 7 HVTH: TĂNG HOÀNG NAM GVHD: TS. NGUYỄN NHÂN BỔN 1.2 Tổng quan về hướng nghiên cứu Một số nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam đã triển khai nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên các hệ thống điện và đưa ra các giải pháp để ngăn chặn cộng hưởng dưới đồng bộ, nhằm giảm tối đa những tổn hại mà cộng hưởng dưới đồng bộ gây ra. Tuy nhiên, việc nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ ở Việt Nam hiện nay là rất ít.
Tóm tắt sơ lược các bài báo khoa học có liên quan đến đề tài: 1.1 Trong nước Các nghiên cứu liên quan đến vấn đề nghiên cứu: 1. ” Doan Duc tung, Le Van Dai, Le Cao Quyen, “Subsynchronous Resonance and FACTS-Novel Control Strategy for Its Mitigation”, Hindawi Journal of Engineering Volume 2019, Article ID 2163908, 14 pages. Bài báo này phân tích hiện tượng SSR xảy ra thực tế ở nhà máy nhiệt điện Vũng Án I của Việt Nam. Một trục tua bin tổ máy số 1 của nhà máy Vũng Án I bị hư hại vào 24/11/2015, nguyên nhân gây ra SSR do hệ thống bù dọc trên đường dây truyền tải 500 kV Vũng Án – Đà Nẵng và Thanh Hoá – Đà Nẵng.
Từ kết quả đó tác giả đề xuất chiến lượt điều khiển cho mỗi thiết bị FACTS sau: the thyristor controlled series compensator (TCSC), static VAR compensator (SVC), and static synchronous compensator (STATCOM). Mô phỏng hệ thống điện Việt Nam 500/220 kV trên phần mềm EMTP-RV and PSS/E. So sánh các kết quả thấy được SVC cho hiệu quả giảm SSR cao hơn, nên có thể ứng dụng để giải quyết khó khăn cho lưới điện Việt Nam. Đỗ Xuân Bình, “Nghiên Cứu Hiện Tượng Cộng Hưởng Cơ Điện Ở Tần Số Dưới Đồng Bộ Trong Hệ Thống Điện”, Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (2014).
Luận văn này trình bày một cách đầy đủ về lý thuyết của hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện khi lắp đặt các tụ bù dọc. Nghiên cứu các phần tử trong mô hình lưới điện dựa trên mô hình chuẩn IEEE First benchmark và IEEE Second Benchmark phục vụ cho việc nghiên cứu SSR. Sử dụng phương pháp mô LUẬN VĂN THẠC SĨ 8 HVTH: TĂNG HOÀNG NAM GVHD: TS. NGUYỄN NHÂN BỔN phỏng để đánh giá hiện tượng SSR bằng phần mềm ATP/EMTP.
Từ các kết quả mô phỏng tác giả đã đề xuất ra các định hướng để giảm hiện tượng SSR cho hệ thống điện. Joshi, "Modal analysis for selection of DFIG-based wind farms for damping and reduction of the risk of SSR," in IET Energy Systems Integration, vol. Nội dung bài báo này là phân tích hiện tượng SSR dựa trên mô hình mẫu IEEE-first benchmark model (FBM) bằng cách thay đổi nhiều thông số như: cấp độ của hệ thống bù dọc đường dây truyền tải, tốc độ gió và kích thước của hệ thống điện gió. Tác giả thực hiện bằng phương pháp phân tích giá trị riêng, tính toán các nhân tố tham gia trong mô hình và mô phỏng theo miền thời gian Từ các kết quả phân tích, tác giả đề xuất cấu hình hệ thống điện gió phù hợp để giảm dao động và hiện tượng SSR.
Bài báo còn chứng minh rằng việc tính toán công suất của hệ thống điện gió thích hợp, điều chỉnh các thông số trong bộ chuyển đổi điện áp có sẵn trong các DFIG hợp lí và chấp nhận khoảng cách kết nối từ hệ thống điện gió đến hệ thống máy phát điện đồng bộ ngắn hơn sẽ ngăn chặn được SSR ở cấp độ bù 60%. Wu, "Impedance characteristics of DFIGs considering the impacts of DFIG numbers and locations and its application on SSR analysis," 2017 IEEE Power & Energy Society General Meeting, Chicago, IL, 2017, pp. Nội dung bài báo này là phân tích các đặc tính trở kháng của các DFIG với số lượng khác nhau và ở những địa điểm khác nhau. Phương pháp quét tần số (frequency scan) được tác giả thực hiển để đo trở kháng của các DFG.
Qua đó chứng minh rằng: • Nguy cơ xảy ra SSR của hệ thống liên hệ đến số lượng DFIG và các cấp độ bù dọc khác nhau. LUẬN VĂN THẠC SĨ 9 HVTH: TĂNG HOÀNG NAM GVHD: TS. NGUYỄN NHÂN BỔN • Ở các tốc độ gió khác nhau sẽ làm ảnh hưởng đến đặc tính trở kháng của hệ thống. Tốc độ gió của hệ thống điện gió gần hơn sẽ ảnh hưởng lớn hơn đến sự ổn định của hệ thống 3.
Jiang et al., "Application of UPFC to mitigate SSR in series-compensated wind farms," in The Journal of Engineering, vol. Nội dụng bài báo này là trình bày chiến lược điều khiển và mô phỏng mô hình của UPFC (unified power flow controller) dựa trên phương pháp điều khiển tách rời dq (the dq decoupling control). Ứng dụng UPFC vào trong hệ thống điện gió có tụ bù dọc để giảm SSR. Tác giả đã sử dụng phương pháp hệ số mô men xoắn phức hợp và mô phỏng theo miền thời gian bằng phần mềm PSCAD/EMTDC.
Li, "Stability Analysis of SSR in Multiple Wind Farms Connected to Series-Compensated Systems Using Impedance Network Model," in IEEE Transactions on Power Systems, vol. Trong bài báo này, tác giả đề xuất mô hình mạng trở kháng (INM – Impedance Network Model) dựa trên phương pháp phân tích sự ổn định SSR. Mô hình trở kháng của các hệ thống điện gió và đường dây truyền tải được thiết lập và chúng được kết nối với nhau thành một mô hình trở kháng lớn. Bằng cách phân tích những đặc điểm tần số của các INM sau khi tổng hợp dựa trên tiêu chí mới được phát triển để đánh giá độ ổn định của SSR.
Phương pháp được đề xuất này có tiềm năng lớn cho việc phân tích SSR trong các hệ thống điện gió rất lớn. Zhang, "Subsynchronous Resonance Mitigation for Series Compensation Transmission System of DFIG Based on PR Control", 2019 IEEE 10th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Xi'an, 2019, pp. LUẬN VĂN THẠC SĨ 10 HVTH: TĂNG HOÀNG NAM GVHD: TS.