Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ các lưới điện phân phối (LĐPP) tại Việt Nam, việc kết nối các nguồn điện phân tán, đặc biệt là nguồn điện gió (WP) sử dụng máy điện không đồng bộ (KĐB), đã trở thành xu hướng tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Theo ước tính, tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam trên độ cao 65 m đạt khoảng 513.360 MW, vượt xa tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020. Tuy nhiên, các máy điện KĐB thường không phát công suất phản kháng mà còn tiêu thụ công suất phản kháng, gây ảnh hưởng tiêu cực đến ổn định điện áp toàn lưới và có thể dẫn đến mất ổn định tại chính bản thân nguồn WP.

Luận văn tập trung nghiên cứu ổn định điện áp tại nút kết nối nguồn điện gió không đồng bộ trong LĐPP, nhằm xác định giới hạn điện áp và công suất tác dụng đảm bảo vận hành ổn định. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa máy điện KĐB rôto lồng sóc và rôto dây quấn (DFIM), xây dựng công cụ phân tích ổn định điện áp dựa trên đặc tính công suất tác dụng - điện áp (đặc tính PU), và áp dụng cho lưới điện thực tế tại Ninh Thuận năm 2015. Mục tiêu chính là đề xuất các giải pháp nâng cao độ ổn định điện áp, góp phần cải thiện chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện trong các LĐPP có kết nối nguồn WP.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình máy điện không đồng bộ (KĐB): Bao gồm máy điện rôto lồng sóc và máy điện rôto dây quấn (DFIM). Mô hình điện tương đương và đặc tính mômen - hệ số trượt được sử dụng để phân tích công suất tác dụng và phản kháng phụ thuộc điện áp nút kết nối và hệ số trượt.

  • Tiêu chuẩn ổn định điện áp: Dựa trên tiêu chuẩn cân bằng mômen (dP/ds = 0), tiêu chuẩn công suất phản kháng (dQ/dU < 0), và tiêu chuẩn thực dụng dE/dU = 0 để xác định giới hạn ổn định điện áp tại nút kết nối WP.

  • Phương pháp phân tích đặc tính PU: Sử dụng đặc tính công suất tác dụng - điện áp để xác định giới hạn ổn định điện áp, đồng thời đánh giá độ dự trữ ổn định điện áp (Kdt) theo các kịch bản vận hành khác nhau.

  • Mô hình mạng 2 cửa tương đương của DFIM: Giúp phân tích công suất tác dụng và phản kháng độc lập, cho phép điều khiển công suất phản kháng nhằm cải thiện ổn định điện áp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thực tế từ lưới điện phân phối Ninh Thuận năm 2015, bao gồm thông số máy phát điện gió rôto lồng sóc công suất 2 MW, máy biến áp 22 kV, và đặc tính vận tốc gió.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học máy điện KĐB, giải bài toán phân bố công suất (PBCS) bằng thuật toán Newton-Raphson để xác định điện áp nút kết nối và hệ số trượt. Từ đó, tính toán công suất phản kháng và xác định giới hạn ổn định điện áp theo tiêu chuẩn thực dụng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian 2 năm, từ khảo sát hiện trạng, xây dựng mô hình, phân tích số liệu đến đề xuất giải pháp nâng cao ổn định điện áp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của máy điện KĐB đến ổn định điện áp: Máy điện KĐB rôto lồng sóc tiêu thụ công suất phản kháng, làm giảm điện áp nút kết nối. Khi điện áp giảm xuống dưới giới hạn Ugh (khoảng 0,7 - 0,9 pu tùy điều kiện), máy điện mất cân bằng mômen, dẫn đến mất ổn định. Ví dụ, tại vận tốc gió 10 m/s, điện áp nút kết nối Ugh được xác định khoảng 0,993 pu, hệ số trượt s = 0,0003, công suất phản kháng Q = -0,05 pu.

  2. Đặc tính công suất tác dụng - điện áp (đặc tính PU): Đặc tính PU cho thấy công suất tác dụng của WP phụ thuộc mạnh vào điện áp nút kết nối và hệ số trượt. Khi điện áp giảm, công suất tác dụng giảm theo, làm tăng nguy cơ mất ổn định. Đặc tính PU được sử dụng để xác định giới hạn công suất và điện áp vận hành an toàn.

  3. Ảnh hưởng của thiết bị bù và OLTC: Việc sử dụng tụ bù công suất phản kháng và máy biến áp có điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC) giúp nâng cao giới hạn ổn định điện áp Ugh, tăng độ dự trữ ổn định Kdt lên khoảng 10-15%. Điều này làm giảm nguy cơ sụp đổ điện áp và cải thiện chất lượng điện áp tại nút kết nối WP.

  4. So sánh máy điện rôto lồng sóc và DFIM: Máy điện DFIM có khả năng phát công suất phản kháng độc lập, giúp điều chỉnh điện áp nút kết nối hiệu quả hơn so với máy điện rôto lồng sóc. Đặc tính PU của DFIM thể hiện giới hạn ổn định điện áp rộng hơn, giảm thiểu nguy cơ mất ổn định khi điện áp suy giảm.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phụ thuộc chặt chẽ giữa công suất tác dụng, công suất phản kháng và điện áp nút kết nối WP trong LĐPP. Việc máy điện KĐB tiêu thụ công suất phản kháng làm giảm điện áp, đặc biệt trong các lưới điện yếu hoặc có tải lớn, dễ dẫn đến hiện tượng sụp đổ điện áp. Các thiết bị bù và OLTC đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao giới hạn ổn định, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ổn định điện áp trong lưới điện có nguồn phân tán.

Biểu đồ đặc tính PU và các bảng số liệu giới hạn điện áp, công suất phản ánh rõ ràng các kịch bản vận hành khác nhau, giúp người vận hành lưới điện nhận biết các trạng thái nguy hiểm và có biện pháp xử lý kịp thời. So sánh giữa các loại máy điện cũng cho thấy ưu thế của DFIM trong việc cải thiện ổn định điện áp, phù hợp với xu hướng ứng dụng công nghệ hiện đại trong phát triển nguồn điện gió.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thiết bị bù công suất phản kháng tại nút kết nối WP: Lắp đặt tụ bù phù hợp để nâng cao điện áp nút kết nối, giảm tiêu thụ công suất phản kháng của máy điện KĐB, cải thiện độ ổn định điện áp. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các công ty điện lực địa phương.

  2. Sử dụng máy biến áp có điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC): Ứng dụng OLTC để duy trì điện áp ổn định trong phạm vi giới hạn, giảm thiểu biến động điện áp do thay đổi công suất WP. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng; chủ thể: đơn vị vận hành lưới điện.

  3. Ưu tiên sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép (DFIM): Khuyến khích đầu tư và thay thế các máy điện rôto lồng sóc bằng DFIM để tận dụng khả năng điều khiển công suất phản kháng, nâng cao ổn định điện áp. Thời gian thực hiện: dài hạn (2-3 năm); chủ thể: nhà sản xuất và nhà đầu tư nguồn điện gió.

  4. Xây dựng công cụ giám sát và cảnh báo ổn định điện áp: Phát triển phần mềm phân tích đặc tính PU và cảnh báo sớm các trạng thái mất ổn định tại nút kết nối WP, hỗ trợ vận hành an toàn. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: viện nghiên cứu và các công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư vận hành lưới điện phân phối: Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp khi kết nối nguồn WP, áp dụng các giải pháp kỹ thuật để duy trì chất lượng điện năng.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tìm hiểu mô hình máy điện không đồng bộ, phương pháp phân tích ổn định điện áp và ứng dụng thực tế trong lưới điện có nguồn phân tán.

  3. Các nhà đầu tư và phát triển dự án điện gió: Đánh giá hiệu quả và rủi ro kỹ thuật liên quan đến ổn định điện áp, lựa chọn công nghệ máy phát phù hợp.

  4. Cơ quan quản lý ngành điện và chính sách năng lượng: Xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phát triển nguồn điện gió bền vững, đảm bảo an toàn vận hành lưới điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao máy điện không đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng lại ảnh hưởng đến ổn định điện áp?
    Máy điện KĐB cần công suất phản kháng để duy trì từ trường quay, khi tiêu thụ công suất phản kháng làm giảm điện áp nút kết nối, gây mất cân bằng mômen và dễ dẫn đến mất ổn định điện áp.

  2. Phương pháp phân tích đặc tính PU là gì và có ưu điểm gì?
    Đặc tính PU mô tả quan hệ giữa công suất tác dụng và điện áp tại nút kết nối, giúp xác định giới hạn ổn định điện áp một cách trực quan và hiệu quả, giảm khối lượng tính toán so với mô hình chi tiết.

  3. Thiết bị bù công suất phản kháng có tác dụng như thế nào trong lưới điện có WP?
    Tụ bù cung cấp công suất phản kháng tại nút kết nối, nâng cao điện áp, giảm tiêu thụ công suất phản kháng của máy điện KĐB, từ đó cải thiện độ ổn định điện áp và chất lượng điện năng.

  4. Máy điện rôto dây quấn (DFIM) có ưu điểm gì so với rôto lồng sóc?
    DFIM có khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng, cho phép phát công suất phản kháng về lưới, giúp điều chỉnh điện áp hiệu quả và nâng cao ổn định điện áp.

  5. Làm thế nào để xác định giới hạn ổn định điện áp tại nút kết nối WP?
    Sử dụng tiêu chuẩn thực dụng dựa trên đặc tính công suất phản kháng và cân bằng mômen, giải bài toán phân bố công suất (PBCS) để tìm điện áp giới hạn Ugh và hệ số dự trữ ổn định Kdt, từ đó đánh giá mức độ an toàn vận hành.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình máy điện không đồng bộ rôto lồng sóc và DFIM, cùng công cụ phân tích ổn định điện áp dựa trên đặc tính PU trong LĐPP có kết nối nguồn điện gió.
  • Xác định được giới hạn điện áp Ugh và hệ số dự trữ ổn định Kdt tại nút kết nối WP, làm cơ sở đánh giá nguy cơ mất ổn định điện áp.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật như sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng, OLTC và ưu tiên máy điện DFIM để nâng cao độ ổn định điện áp.
  • Áp dụng thành công cho lưới điện Ninh Thuận năm 2015, cung cấp dữ liệu thực tiễn hỗ trợ vận hành và phát triển nguồn điện gió tại Việt Nam.
  • Khuyến nghị phát triển công cụ giám sát ổn định điện áp và mở rộng nghiên cứu cho các loại nguồn phân tán khác trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị vận hành và phát triển nguồn điện gió nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng nhằm thích ứng với sự phát triển nhanh chóng của hệ thống điện phân phối.