Tổng quan nghiên cứu

Giai đoạn 2017 - 2019 chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ của nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam sau khi có cơ chế khuyến khích đầu tư. Theo số liệu của Bộ Công Thương, cả nước có 121 dự án điện mặt trời được bổ sung vào quy hoạch với tổng công suất đăng ký đạt 6.100 MW, và chỉ trong nửa đầu năm 2019 đã có 47 dự án với tổng công suất 2.300 MW hòa lưới thành công. Tuy nhiên, nguồn năng lượng quang điện có tính chất bất định cao với mức biến thiên công suất phát có thể dao động từ 60% đến 80% chỉ trong khoảng 5 đến 10 phút tùy thuộc vào điều kiện thời tiết.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi đặt ra là sự thâm nhập quy mô lớn của các nguồn điện mặt trời tập trung tại các khu vực phụ tải thấp gây áp lực nghiêm trọng lên lưới điện truyền tải, tiềm ẩn nguy cơ quá tải và sụt giảm điện áp khi xảy ra sự cố. Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá chuyên sâu khả năng duy trì phát điện liên tục vượt qua sự cố điện áp thấp của Nhà máy điện mặt trời Fujiwara Bình Định có công suất lắp đặt 50 MWp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trên lưới điện khu vực. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống lưới điện 110 kV tỉnh Bình Định và khu vực Khu kinh tế Nhơn Hội, nơi có tiềm năng bức xạ dồi dào từ 3,2 đến 5,6 kWh/m2/ngày, tương đương 1.168 đến 2.045 kWh/m2/năm. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi định lượng chính xác phản ứng quá độ của hệ thống biến đổi công suất trong thời gian loại trừ sự cố tiêu chuẩn 150 mili-giây, cung cấp cơ sở kỹ thuật vững chắc giúp ngăn chặn nguy cơ rã lưới cục bộ và đảm bảo an ninh vận hành hệ thống điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết biến đổi quang điện bán dẫn và lý thuyết điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung. Bên cạnh đó, đề tài ứng dụng các thuật toán theo dõi điểm làm việc có công suất cực đại nhằm tối ưu hóa năng lượng thu nhận từ giàn pin mặt trời trong mọi điều kiện bức xạ.

Khung phân tích tập trung vào các khái niệm then chốt gồm: khả năng duy trì phát điện khi sụt áp, độ méo sóng hài bậc cao, mức nhấp nháy điện áp và thành phần đối xứng thứ tự nghịch. Các tiêu chuẩn kỹ thuật làm hệ quy chiếu gồm Thông tư số 39/2015/TT-BCT và Thông tư số 25/2016/TT-BCT của Bộ Công Thương quy định về hệ thống điện phân phối và truyền tải. Đồng thời, nghiên cứu tham chiếu và so sánh với tiêu chuẩn quốc tế IEEE-519 cũng như quy định đấu nối lưới điện nghiêm ngặt của Ai Cập và bang Texas của Hoa Kỳ, nơi yêu cầu các nhà máy điện mặt trời phải duy trì nối lưới tối thiểu từ 0,15 đến 0,25 giây khi điện áp tại điểm đấu nối sụt giảm về 0 pu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm toàn bộ thông số kỹ thuật thực tế của Nhà máy điện mặt trời Fujiwara Bình Định và sơ đồ kết lưới 110 kV khu vực tỉnh Bình Định. Cỡ mẫu mô hình hóa bao gồm 151.515 tấm pin đa tinh thể công suất 330 Wp, bố trí thành các dãy pin với góc nghiêng cố định 12 độ hướng chính Nam. Toàn bộ nguồn phát một chiều được gom về 320 bộ nghịch lưu công suất 125 kVA, đi qua hệ thống 7 máy biến áp trung áp gồm 6 máy 6,25 MVA và 1 máy 2,5 MVA cấp 22/0,6 kV, sau đó nâng lên cấp điện áp 110 kV qua máy biến áp 63 MVA và truyền tải qua đường dây 110 kV dài 4,2 km nối vào trạm 110 kV Nhơn Hội.

Phương pháp chọn mẫu áp dụng nguyên lý tương đương hóa hệ thống và gom cụm chuỗi quang điện nhằm tái hiện đầy đủ đặc tính vật lý mà vẫn tối ưu hóa tài nguyên tính toán. Phương pháp phân tích quá độ điện từ trường trên phần mềm chuyên dụng PSCAD/EMTDC được lựa chọn thay vì các phần mềm tính toán trào lưu công suất tĩnh truyền thống. Lý do là vì PSCAD có khả năng mô phỏng chi tiết các quá trình phi tuyến tính và phản ứng đóng cắt mili-giây của các van bán dẫn công suất trong bộ nghịch lưu khi lưới điện xảy ra ngắn mạch. Timeline nghiên cứu được thực hiện qua việc thu thập số liệu vận hành, xây dựng mô hình chi tiết từng khối phần tử và tiến hành mô phỏng các kịch bản sự cố tại các mức phát 50% và 85% công suất đặt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSCAD đã làm sáng tỏ khả năng phản ứng của nhà máy trước các dạng sự cố ngắn mạch khác nhau:

  • Khi xảy ra ngắn mạch ba pha trực tiếp tại thanh cái 110 kV của nhà máy ở chế độ phát 85% công suất đặt tương ứng 42 MW, điện áp đầu cực giảm sâu xuống gần 0 pu. Hệ thống điều khiển của 320 bộ nghịch lưu đã kích hoạt chế độ hỗ trợ tức thời, không để dòng ngắn mạch vượt quá ngưỡng cho phép và giúp nhà máy duy trì vận hành ổn định trong suốt 150 mili-giây loại trừ sự cố mà không bị tách lưới.
  • Đối với sự cố ngắn mạch một pha và hai pha tại thanh cái 110 kV trạm biến áp Phước Sơn, điện áp tại điểm đấu nối của nhà máy chỉ sụt giảm xuống mức từ 0,65 pu đến 0,85 pu. Sau khi máy cắt cô lập đoạn đường dây bị sự cố sau 0,15 giây, điện áp và công suất tác dụng của nhà máy phục hồi về trạng thái danh định chỉ trong khoảng 0,25 giây.
  • Tại chế độ vận hành 50% công suất đặt tương ứng 24 MW, mức độ dao động công suất phản kháng thấp hơn khoảng 35% so với chế độ phát 85% công suất, giúp quá trình xác lập lại điện áp 1,0 pu diễn ra nhanh hơn, đạt trạng thái cân bằng chỉ sau 0,18 giây.
  • Thành phần điện áp thứ tự nghịch xuất hiện trong các dạng sự cố không đối xứng luôn duy trì dưới ngưỡng 3% điện áp danh định tại cấp điện áp 110 kV, hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật khắt khe theo quy định của hệ thống điện truyền tải Việt Nam.

Thảo luận kết quả

Khả năng duy trì vận hành ấn tượng này xuất phát từ việc hệ thống nghịch lưu 125 kVA được tích hợp thuật toán điều khiển công suất phản kháng linh hoạt trong dải hệ số công suất từ 0,8 trễ đến 0,8 sớm. Khi phát hiện sụt áp nghiêm trọng, bộ điều khiển trung tâm ưu tiên bơm dòng điện phản kháng để hỗ trợ duy trì điện áp thanh cái theo đúng đặc tính thời gian duy trì tối thiểu được tính theo công thức Tmin = 4 x U - 0,6 giây.

So sánh với các nghiên cứu tương tự trên thế giới, khả năng vượt qua sự cố của Nhà máy Fujiwara Bình Định hoàn toàn tương đương với các tiêu chuẩn vận hành hiện đại của bang Texas và Ai Cập. Dữ liệu quá độ trong nghiên cứu được trực quan hóa rõ nét thông qua các hệ thống đồ thị dạng sóng thời gian thực ghi nhận bốn đại lượng tức thời gồm công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, điện áp V và dòng điện I tại các điểm nút đo lường trong khoảng thời gian từ 0 đến 2 giây. Việc kết hợp đồ thị dạng sóng với bảng tổng hợp các chỉ số cực trị giúp các kỹ sư vận hành dễ dàng nhận diện vùng ổn định động học của toàn bộ trạm biến áp 63 MVA.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao độ tin cậy và tối ưu hóa khả năng tích hợp của các nguồn điện mặt trời công suất lớn vào lưới điện khu vực, luận văn đề xuất bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể:

  • Chuẩn hóa và cài đặt lại cấu hình ngưỡng tác động điện áp thấp cho 320 bộ nghịch lưu: Đơn vị vận hành nhà máy cần thiết lập thời gian phản hồi bơm dòng phản kháng đạt dưới 20 mili-giây ngay khi điện áp giảm dưới 0,9 pu, hoàn thành triển khai trong vòng 3 tháng tới nhằm đảm bảo tính đồng bộ toàn trạm.
  • Tối ưu hóa hệ thống rơ-le bảo vệ kỹ thuật số tại trạm 110 kV nâng áp và ngăn lộ trạm 110 kV Nhơn Hội: Công ty Điện lực và Trung tâm Điều độ cần phối hợp hiệu chỉnh thông số bảo vệ so lệch và bảo vệ khoảng cách để đảm bảo thời gian loại trừ sự cố ngắn mạch không vượt quá 150 mili-giây, thực hiện kiểm tra định kỳ 6 tháng một lần.
  • Triển khai hệ thống điều khiển công suất tác dụng tự động kết nối SCADA/DMS: Ban quản lý dự án cần phối hợp với cấp điều độ có quyền điều khiển để hoàn thiện tính năng điều chỉnh tần số tự động, đảm bảo sai số điều chỉnh công suất phát không vượt quá 1% công suất định mức trong thời gian dưới 30 giây.
  • Đầu tư lắp đặt bổ sung thiết bị bù công suất phản kháng nhanh và hệ thống giám sát chất lượng điện năng: Chủ đầu tư cần xây dựng kế hoạch trong 12 tháng để kiểm soát tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện luôn dưới mức 12% và độ méo sóng hài điện áp dưới 3%, duy trì chỉ số nhấp nháy điện áp Pst dưới 0,80 theo đúng quy chuẩn truyền tải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, đặc biệt hữu ích cho các nhóm đối tượng chuyên môn sau:

  • Cán bộ kỹ thuật và chuyên viên điều độ hệ thống điện tại EVN và các Trung tâm Điều độ: Sử dụng kết quả đánh giá quá độ để xây dựng phương thức vận hành tối ưu, tính toán chỉnh định rơ-le bảo vệ và chủ động lập kịch bản ứng phó sự cố cho lưới điện khu vực miền Trung.
  • Chủ đầu tư và các ban quản lý dự án nhà máy điện mặt trời: Áp dụng quy trình tính toán cấu hình 151.515 tấm pin cùng trạm nâng áp 63 MVA làm tài liệu chuẩn hóa hồ sơ kỹ thuật đấu nối và nghiệm thu COD theo đúng Thông tư của Bộ Công Thương.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế tại các công ty tư vấn xây dựng điện: Sử dụng mô hình mô phỏng PSCAD của luận văn làm khung tham chiếu chuẩn để tính toán phân tích tính ổn định động và ngắn mạch cho các dự án điện gió, điện mặt trời quy mô từ 50 MW trở lên.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện: Khai thác phương pháp luận, thuật toán điều khiển nghịch lưu và cơ sở dữ liệu mô phỏng như một tài liệu học thuật chuyên sâu về tích hợp năng lượng tái tạo vào hệ thống điện hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Khả năng duy trì phát điện khi sụt áp có bắt buộc đối với nhà máy điện mặt trời không? Có, đây là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc theo Thông tư 25/2016/TT-BCT và Thông tư 39/2015/TT-BCT. Quy định này nhằm ngăn chặn hiện tượng hàng loạt nguồn phân tán tự động ngắt kết nối khi xảy ra sự cố thoáng qua, giúp tránh nguy cơ sụp đổ điện áp trên toàn hệ thống điện.

Nhà máy điện mặt trời Fujiwara Bình Định có quy mô kỹ thuật như thế nào? Nhà máy có tổng công suất lắp đặt 50 MWp trên diện tích khoảng 60 ha tại Khu kinh tế Nhơn Hội. Dự án sử dụng 151.515 tấm pin đa tinh thể 330 Wp, 320 bộ nghịch lưu 125 kVA, 7 máy biến áp trung thế và 1 trạm biến áp nâng áp 110 kV công suất 63 MVA.

Phần mềm PSCAD mang lại lợi ích gì vượt trội trong nghiên cứu này? PSCAD cho phép mô phỏng chi tiết các quá trình quá độ điện từ trường trong dải micro-giây đến mili-giây. Công cụ này mô phỏng chính xác hành vi đóng cắt phi tuyến của các van bán dẫn trong 320 bộ inverter, điều mà các phần mềm tính toán trào lưu tĩnh không thể thực hiện được.

Khi xảy ra ngắn mạch ba pha tại thanh cái 110 kV thì nhà máy phản ứng ra sao? Tại chế độ phát 85% công suất tương đương 42 MW, điện áp đầu cực sụt giảm sâu nhưng hệ thống điều khiển inverter đã duy trì kết nối thành công trong suốt 0,15 giây cho đến khi sự cố được loại trừ và nhanh chóng khôi phục điện áp bình thường.

Quy định thời gian chịu đựng điện áp thấp tại Việt Nam được tính toán như thế nào? Theo quy định, khi điện áp tại điểm đấu nối sụt giảm dưới 0,3 pu thì thời gian duy trì tối thiểu là 0,15 giây. Khi điện áp nằm trong khoảng từ 0,3 pu đến dưới 0,9 pu, thời gian duy trì được xác định theo công thức Tmin = 4 x U - 0,6 giây.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng chi tiết Nhà máy điện mặt trời Fujiwara Bình Định công suất 50 MWp kết nối đồng bộ với lưới điện 110 kV khu vực trên phần mềm PSCAD.
  • Chứng minh toàn diện khả năng vượt qua sự cố sụt áp của nhà máy trong thời gian loại trừ sự cố tiêu chuẩn 150 mili-giây ở cả hai mức công suất phát 50% và 85% công suất định mức.
  • Xác thực các chỉ tiêu chất lượng điện năng bao gồm thành phần điện áp thứ tự nghịch dưới 3% và độ méo sóng hài hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn hiện hành của Bộ Công Thương.
  • Đóng góp giải pháp khoa học thực tiễn giúp các đơn vị tư vấn và quản lý vận hành có phương pháp định lượng chính xác tác động của nguồn phân tán trước khi hòa lưới.
  • Đề xuất lộ trình 12 tháng tiếp theo để nâng cấp hệ thống điều khiển tự động và hoàn thiện hệ thống bù phản kháng nhanh cho các dự án năng lượng tái tạo quy mô lớn. Hãy liên hệ với tác giả và nhóm nghiên cứu để cùng trao đổi, phát triển thêm các mô hình mô phỏng chuyên sâu cho hệ thống điện tương lai.