Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ điện năng tại tỉnh Ninh Bình ghi nhận mức tăng trưởng liên tục từ 6% đến 12%/năm trong giai đoạn 2016-2019 do sự mở rộng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp sản xuất linh kiện điện tử, lắp ráp ô tô và vật liệu xây dựng. Nguồn cung cấp điện nội tỉnh hiện phụ thuộc chủ yếu vào Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình với công suất 100 MW xây dựng từ thập niên 1970 và nguồn điện truyền tải từ các nhà máy thủy điện Hòa Bình, Sơn La thông qua trạm biến áp 500 kV Nho Quan dung lượng 1.500 MVA cùng 15 trạm biến áp 110 kV có tổng công suất đặt 812,5 MVA.

Trước áp lực cạn kiệt tài nguyên hóa thạch và yêu cầu giảm phát thải khí nhà kính, việc nghiên cứu khai thác nguồn năng lượng tái tạo tại địa phương trở thành nhiệm vụ cấp bách. Tỉnh Ninh Bình sở hữu bờ biển kéo dài thuộc khu vực đồng bằng sông Hồng, tiếp giáp vịnh Bắc Bộ với tiềm năng gió tương đối dồi dào và ổn định quanh năm. Đề tài luận văn thạc sĩ khoa học ngành Kỹ thuật điện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tập trung giải quyết bài toán ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình.

Mục tiêu cụ thể của công trình bao gồm: đánh giá chi tiết tiềm năng tài nguyên gió ven biển Ninh Bình dựa trên chuỗi số liệu khí tượng thủy văn giai đoạn 2010-2015; lựa chọn cấu hình máy phát điện dị bộ nguồn kép tối ưu; thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến hiện đại cho bộ biến đổi phía máy phát; và xây dựng mô hình mô phỏng kiểm chứng trên môi trường máy tính. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học quan trọng cho việc tích hợp điện gió vào Quy hoạch phát triển điện lực tỉnh Ninh Bình giai đoạn 2016-2025, định hướng đến năm 2035, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và giảm tải cho hệ thống lưới điện khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn ứng dụng toàn diện ba trụ cột lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện và điều khiển tự động:

Thứ nhất là lý thuyết khí động học chuyển đổi năng lượng gió sang cơ năng tuabin. Công suất cơ học thu nhận trên trục tuabin tuân theo định luật Betz với hệ số công suất cực đại lý thuyết đạt 0,593. Mối quan hệ giữa vận tốc gió, góc xoay cánh gió (pitch angle) và tỷ số tốc độ đầu cánh quyết định đặc tính công suất tối ưu của tuabin gió trục ngang.

Thứ hai là mô hình toán học máy điện không đồng bộ ba pha nguồn kép (DFIG) trên hệ tọa độ tựa từ thông stator và tựa điện áp lưới (hệ trục dq). DFIG sở hữu cuộn dây stator nối trực tiếp vào lưới điện 50 Hz lệch pha 120 độ điện, trong khi cuộn dây rotor được cấp nguồn thông qua bộ biến đổi bán dẫn công suất hai chiều. Điểm ưu việt nổi bật của cấu hình này là bộ biến tần chỉ cần định mức khoảng 30% đến 33% tổng công suất máy phát, đồng thời cho phép máy vận hành linh hoạt trong dải tốc độ biến thiên từ -30% đến +30% so với tốc độ đồng bộ.

Thứ ba là lý thuyết điều khiển phi tuyến tựa theo tính thụ động (Passivity-Based Control - PBC) dựa trên cấu trúc cơ - điện Euler-Lagrange. Phương pháp này bảo toàn đặc tính năng lượng tự nhiên của hệ thống, xử lý triệt để các tương tác phi tuyến giữa dòng điện rotor, tốc độ góc và điện áp lưới mà không cần tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ chuỗi quan trắc khí tượng bề mặt liên tục trong 5 năm (giai đoạn 2010-2015) tại khu vực ven biển Ninh Bình, kết hợp dữ liệu thống kê phụ tải và quy hoạch phát triển lưới điện của Bộ Công Thương theo Quyết định số 1235/QĐ-BCT. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 chuỗi dữ liệu tháng đại diện cho 4 mùa trong năm với đầy đủ các thông số về vận tốc gió trung bình, vận tốc gió thịnh hành và vận tốc gió cực đại. Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật lấy mẫu thống kê khí tượng tiêu chuẩn, loại bỏ nhiễu địa hình cục bộ và ngoại suy vận tốc gió về độ cao danh định 65 m của trục tuabin.

Phương pháp phân tích trọng tâm là mô hình hóa toán học không gian trạng thái kết hợp mô phỏng số động học thời gian thực trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ bản chất phi tuyến bậc cao của máy điện DFIG khi làm việc trong điều kiện tốc độ gió biến động liên tục và sự cố sụt áp lưới. Khâu điều khiển được thiết kế với chu kỳ trích mẫu dưới 400 micro giây (400 μs) nhằm đảm bảo tính chính xác cao cho thuật toán điều chế vector không gian (SVPWM). Toàn bộ chương trình nghiên cứu được triển khai chặt chẽ theo kế hoạch 6 tháng với các mốc đánh giá định kỳ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu khí tượng ven biển Ninh Bình cho thấy tốc độ gió trung bình các tháng dao động từ 2,0 m/s đến 4,0 m/s, tốc độ gió thịnh hành đạt từ 2,5 m/s đến 5,6 m/s, và tốc độ gió mạnh nhất đạt cấp 6 đến cấp 7 (tương đương 12 m/s đến 17 m/s). Đặc biệt, vào các tháng cao điểm mùa hè như tháng 6 và tháng 7, tốc độ gió thịnh hành trung bình đạt từ 4,7 m/s đến 5,6 m/s, trùng khớp với thời điểm nhu cầu tiêu thụ điện sinh hoạt và sản xuất tăng đột biến từ 8% đến 12%.

Việc lựa chọn máy phát điện không đồng bộ ba pha nguồn kép (DFIG) mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội khi giảm quy mô bộ biến tần xuống chỉ còn 1/3 (xấp xỉ 33%) công suất định mức của máy phát. So với các hệ thống máy phát đồng bộ kích từ vĩnh cửu sử dụng bộ biến đổi toàn phần 100% công suất, giải pháp DFIG giúp tiết kiệm khoảng 60% đến 67% chi phí đầu tư thiết bị bán dẫn công suất.

Hệ thống điều khiển nghịch lưu phía máy phát (NLMP) ứng dụng thuật toán Passivity-Based Control (PBC) đã thực hiện phân ly hoàn toàn công suất tác dụng P (thông qua thành phần dòng ird) và công suất phản kháng Q (thông qua thành phần dòng irq). Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian xác lập dòng điện rotor đạt dưới 0,15 giây, độ quá điều chỉnh dòng điện dưới 5%, và hệ số công suất cos phi phía stator được duy trì ổn định xấp xỉ bằng 1 trong điều kiện vận hành bình thường.

Thuật toán PBC chứng minh khả năng duy trì ổn định vượt trội khi mô phỏng sự cố ngắn mạch 3 pha ở xa gây sụt áp lưới xuống còn 30% giá trị danh định. Bộ điều chỉnh dòng phi tuyến thích nghi tức thời với sự thay đổi của tần số góc rotor và tốc độ máy phát thông qua hệ số suy giảm D(omega), giúp hệ thống bám lưới an toàn mà không bị ngắt kết nối đột ngột.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện trên khẳng định tính đúng đắn khi chuyển dịch từ phương pháp điều khiển tuyến tính truyền thống (PI cổ điển) sang điều khiển phi tuyến thụ động PBC. Trong các công trình điều khiển tuyến tính trước đây, thông số bộ điều chỉnh thường được coi là hằng số trong một chu kỳ trích mẫu, khiến hệ thống dễ mất ổn định khi từ thông stator dao động mạnh do sự cố lưới. Ngược lại, cấu trúc PBC khai thác trực tiếp bản chất tiêu tán năng lượng của mô hình Euler-Lagrange, đảm bảo tính ổn định tiệm cận toàn cục theo tiêu chuẩn Lyapunov.

Dữ liệu mô phỏng trong luận văn được minh họa trực quan qua hệ thống đồ thị vector không gian dòng điện - điện áp và các đường cong phản hồi động học trong khoảng thời gian khảo sát từ 0 đến 5 giây. Biểu đồ đáp ứng công suất tác dụng và công suất phản kháng thể hiện rõ tính độc lập của hai kênh điều khiển, không xuất hiện hiện tượng dao động ký sinh khi tốc độ gió thay đổi đột ngột từ 8 m/s lên 12 m/s. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế rất lớn cho các dự án điện gió ven bờ tại khu vực miền Bắc Việt Nam, nơi có quy mô công suất kỹ thuật ước tính đạt trên 50 MW.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, Ủy ban nhân dân tỉnh Ninh Bình và Sở Công Thương cần chủ trì phối hợp với Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) phê duyệt quy hoạch khu vực phát triển điện gió ven biển huyện Kim Sơn giai đoạn 2021-2025 với công suất thử nghiệm ban đầu từ 10 MW đến 20 MW. Dự án cần tích hợp đồng bộ vào hệ thống truyền tải 110 kV hiện hữu để giải tỏa công suất trực tiếp cho các phụ tải công nghiệp lân cận.

Thứ hai, các đơn vị thiết kế và chế tạo thiết bị điện công nghiệp cần áp dụng thuật toán điều khiển phi tuyến Passivity-Based Control (PBC) nhúng trên nền tảng vi xử lý DSP tốc độ cao hoặc FPGA. Chu kỳ lấy mẫu điều khiển cần được thiết lập tối ưu từ 200 μs đến 400 μs nhằm khai thác triệt để dải biến thiên tốc độ +/-30% của máy phát DFIG, giúp tăng sản lượng điện hàng năm thêm khoảng 8% đến 15% so với thuật toán PI truyền thống.

Thứ ba, nhà máy điện gió ven biển cần trang bị cấu trúc bảo vệ kép bao gồm mạch bảo vệ Stator Switch kết hợp bộ xả năng lượng Crowbar chủ động. Giải pháp kỹ thuật này cho phép bảo vệ an toàn cho các van bán dẫn IGBT khi xảy ra sụt giảm điện áp lưới xuống dưới 15% - 20%, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành bám lưới khi có sự cố (Low Voltage Ride Through - LVRT) theo quy định của Bộ Công Thương.

Thứ tư, Công ty Điện lực Ninh Bình cần hoàn thành nâng cấp và mở rộng dung lượng các trạm biến áp 110 kV ven biển theo đúng tiến độ Quy hoạch phát triển điện lực tỉnh đến năm 2030. Cụ thể, cần xây mới và nâng công suất cho 15 trạm biến áp 110 kV với tổng dung lượng bổ sung trên 500 MVA, đồng thời hiện đại hóa hệ thống rơ le bảo vệ kỹ thuật số để sẵn sàng tiếp nhận nguồn năng lượng tái tạo phân tán.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư vận hành và kỹ sư thiết kế hệ thống điện tại các tập đoàn năng lượng tái tạo: Tài liệu cung cấp bản thiết kế chi tiết về sơ đồ nguyên lý mạch lực, cấu trúc biến tần nghịch lưu phía máy phát (NLMP) và phía lưới (NLPL), cùng thuật toán điều chế vector không gian SVPWM giúp tối ưu hóa chi phí vận hành trạm điện gió.

Nhóm nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo và Tự động hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo học thuật giá trị về phương pháp mô hình hóa Euler-Lagrange, phân tích không gian trạng thái máy điện dị bộ nguồn kép và kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển phi tuyến PBC trên phần mềm Matlab/Simulink.

Nhóm cán bộ quản lý nhà nước và chuyên viên hoạch định chính sách năng lượng tại Sở Công Thương và Viện Năng lượng: Công trình cung cấp bức tranh số liệu quan trắc gió thực tế trong 5 năm cùng luận cứ khoa học thực tiễn để xây dựng quy hoạch năng lượng gió ven bờ tại các tỉnh Đồng bằng sông Hồng.

Nhóm nhà đầu tư và nhà thầu EPC dự án điện gió: Nghiên cứu đưa ra phân tích so sánh chi tiết giữa các loại máy phát điện gió, chứng minh hiệu quả giảm 67% chi phí bộ biến tần khi chọn công nghệ DFIG, giúp rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư từ 1 đến 2 năm cho dự án quy mô từ 20 MW đến 50 MW.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) lại tối ưu hơn máy phát kích từ vĩnh cửu trong nghiên cứu này?

Máy phát DFIG chỉ cần bộ biến đổi bán dẫn có công suất bằng khoảng 30% đến 33% công suất định mức máy phát, giúp giảm hơn 60% chi phí đầu tư bộ biến tần so với máy phát kích từ vĩnh cửu cần bộ biến đổi 100% công suất. Ngoài ra, DFIG vẫn đảm bảo dải tốc độ làm việc linh hoạt trong phạm vi +/-30% quanh tốc độ đồng bộ.

Tiềm năng tốc độ gió tại khu vực ven biển Ninh Bình có đủ điều kiện vận hành thương mại không?

Tốc độ gió trung bình ven biển Ninh Bình đạt từ 2,0 m/s đến 4,0 m/s và cực đại đạt 14 m/s đến 17 m/s vào mùa hè. Mặc dù tốc độ gió trung bình năm ở mức trung bình, nhưng vào các tháng cao điểm nắng nóng thì sức gió đạt mức cao nhất, hoàn toàn đủ điều kiện phát điện thương mại bổ trợ công suất cho lưới điện khu vực.

Ưu điểm vượt trội của phương pháp điều khiển Passivity-Based Control (PBC) là gì?

Phương pháp PBC giữ nguyên bản chất phi tuyến của mô hình máy điện DFIG, không bỏ qua sự biến thiên của từ thông stator và tốc độ rotor. Thuật toán giúp hệ thống phản ứng nhanh với thời gian xác lập dưới 0,15 giây, độ quá điều chỉnh dưới 5%, đồng thời duy trì ổn định vững chắc khi xảy ra sự cố sụt áp lưới.

Bộ biến đổi phía lưới (NLPL) và phía máy phát (NLMP) có nhiệm vụ gì?

Bộ NLMP chịu trách nhiệm điều khiển độc lập công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của stator máy phát. Bộ NLPL có nhiệm vụ duy trì ổn định điện áp mạch một chiều trung gian U_DC ở mức đặt trước (khoảng 500 V đến 700 V) và hỗ trợ bù công suất phản kháng lên lưới khi cần thiết.

Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra sự cố ngắn mạch gây sụt giảm điện áp lưới?

Khi xảy ra sự cố sụt áp, dòng quá độ rotor tăng cao sẽ được bảo vệ bởi mạch chuyển mạch stator switch hoặc kích hoạt bộ xả crowbar để rẽ dòng ngắn mạch. Thuật toán PBC nhanh chóng bơm dòng phản kháng để hỗ trợ phục hồi điện áp lưới và tái hòa đồng bộ máy phát trong vòng dưới 200 mili giây.

Kết luận

  • Đề tài đã đánh giá toàn diện tiềm năng năng lượng gió ven biển Ninh Bình với tốc độ gió cực đại đạt từ 14 m/s đến 17 m/s, khẳng định tính khả thi của việc phát triển điện gió phân tán.
  • Khẳng định tính ưu việt của cấu hình máy phát điện dị bộ nguồn kép (DFIG) khi cắt giảm 67% dung lượng bộ biến tần bán dẫn so với cấu hình biến đổi toàn phần.
  • Xây dựng thành công mô hình toán học phi tuyến hoàn chỉnh cho hệ thống phát điện sức gió dựa trên biểu diễn vector không gian và phương trình Euler-Lagrange.
  • Thiết kế và chứng minh hiệu quả của bộ điều khiển phi tuyến Passivity-Based Control (PBC) với chu kỳ trích mẫu dưới 400 μs, đạt khả năng phân ly hoàn toàn công suất tác dụng và phản kháng.
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho lộ trình tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện tỉnh Ninh Bình trong giai đoạn quy hoạch 2025-2030.

Nghiên cứu mở ra hướng phát triển thử nghiệm phần cứng bán dẫn trên mô hình thực nghiệm bán công nghiệp trong giai đoạn tiếp theo. Các nhà khoa học, kỹ sư và cơ quan quản lý quan tâm có thể tiếp tục mở rộng giải thuật điều khiển thích nghi thông minh nhằm hoàn thiện hơn nữa khả năng vận hành của hệ thống điện gió ven biển Việt Nam.