Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió được xem là một trong những nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng và phát triển bền vững trong tương lai, với khả năng cung cấp nguồn điện dồi dào và gần như vô tận. Tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực tỉnh Bến Tre, tiềm năng gió được đánh giá khá cao với vận tốc gió trung bình năm tại độ cao 80m đạt khoảng 6,6 - 6,8 m/s, tập trung chủ yếu ở các huyện ven biển như Bình Đại, Ba Tri và Thạnh Phú. Nhà máy điện gió Thạnh Hải 1 với công suất 30 MW đã được xây dựng nhằm khai thác nguồn năng lượng này, góp phần đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng của tỉnh và cả nước.

Tuy nhiên, điện gió là nguồn năng lượng có tính biến động cao do phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, dẫn đến những ảnh hưởng nhất định lên lưới điện khi tích hợp. Do đó, việc phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của nhà máy điện gió Thạnh Hải lên lưới điện 110 kV tỉnh Bến Tre là cần thiết để đảm bảo vận hành ổn định, nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa lưới điện tỉnh Bến Tre và nhà máy điện gió Thạnh Hải 1, phân tích các chế độ vận hành và các trường hợp sự cố khi có sự tham gia của nhà máy điện gió. Nghiên cứu sử dụng phần mềm ETAP để mô phỏng, so sánh và đánh giá ảnh hưởng của việc tích hợp điện gió vào lưới điện. Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống lưới điện 110 kV tỉnh Bến Tre và nhà máy điện gió Thạnh Hải 1, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn từ năm 2011 đến 2023.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các nhà quản lý và kỹ sư điện lực đưa ra các giải pháp vận hành, bảo trì và phát triển lưới điện phù hợp, đồng thời góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về năng lượng gió, lưới điện và các phương pháp mô phỏng hệ thống điện. Hai mô hình kết nối nhà máy điện gió được áp dụng chính gồm:

  • Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG): Đây là mô hình phổ biến trong các nhà máy điện gió hiện đại, cho phép điều khiển tốc độ biến thiên của turbine gió và cung cấp công suất phản kháng, giúp cải thiện chất lượng điện năng và giảm tổn thất. Mô hình này sử dụng bộ chuyển đổi năng lượng một phần (khoảng 30% công suất danh định) trên mạch rotor, giúp điều khiển tần số và tốc độ rotor.

  • Mô hình kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện sử dụng phương thức thay đổi điện trở mạch rotor: Sử dụng máy phát cảm ứng rotor dây quấn (WRIG) với điện trở rotor điều khiển, cho phép điều chỉnh tác động của gió lên turbine. Mô hình này có ưu điểm về chi phí thấp, ít bảo dưỡng và cấu trúc cơ khí bền vững hơn.

Các khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: chất lượng điện năng, ổn định điện áp, tổn thất công suất, sự cố ngắn mạch, và các chế độ vận hành lưới điện (tải cực đại, tải cực tiểu).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điện tỉnh Bến Tre và nhà máy điện gió Thạnh Hải 1 bằng phần mềm ETAP. Dữ liệu đầu vào bao gồm số liệu quan trắc tốc độ gió tại các cột đo ở huyện Bình Đại và Thạnh Phú trong giai đoạn 2011-2014, thông số kỹ thuật turbine gió, máy phát, bộ điều tốc và trạm biến áp của nhà máy điện gió Thạnh Hải 1, cùng với dữ liệu vận hành thực tế của lưới điện 110 kV tỉnh Bến Tre.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống lưới điện 110 kV tỉnh Bến Tre với 8 trạm biến áp và 166,7 km đường dây, cùng nhà máy điện gió Thạnh Hải 1 công suất 30 MW. Phương pháp chọn mẫu là sử dụng toàn bộ dữ liệu thực tế và mô phỏng các trường hợp vận hành, sự cố đặc trưng.

Phân tích được thực hiện qua các bước: mô hình hóa hệ thống, mô phỏng các chế độ vận hành (tải cực đại, tải cực tiểu), mô phỏng các trường hợp sự cố ngắn mạch tại các điểm khác nhau của lưới điện khi có sự tham gia của nhà máy điện gió. Kết quả được đánh giá dựa trên các chỉ số điện áp, công suất, dòng điện và tổn thất công suất.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2023 đến tháng 12/2023, bao gồm thu thập dữ liệu, mô hình hóa, mô phỏng, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhà máy điện gió Thạnh Hải 1 lên điện áp lưới 110 kV: Khi nhà máy điện gió phát công suất cực đại (30 MW), điện áp tại các nút lưới điện 110 kV tăng trung bình khoảng 2-3%, trong khi khi phát công suất cực tiểu, điện áp giảm khoảng 1-2%. Sự biến động điện áp này nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo chất lượng điện năng.

  2. Tổn thất công suất trên lưới điện: Mô phỏng cho thấy tổn thất công suất trên các đường dây và trạm biến áp giảm khoảng 5% khi nhà máy điện gió Thạnh Hải 1 phát công suất cực đại, nhờ nguồn điện được cung cấp gần phụ tải hơn, giảm tải cho các nguồn truyền thống.

  3. Phân tích các trường hợp sự cố ngắn mạch: Các trường hợp ngắn mạch tại thanh cái 22 kV, 110 kV và đầu cực máy phát của nhà máy điện gió được mô phỏng. Kết quả cho thấy dòng ngắn mạch tăng lên khoảng 10-15% so với khi không có nhà máy điện gió, đòi hỏi các thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển phải được điều chỉnh phù hợp để đảm bảo an toàn vận hành.

  4. Ổn định điện áp và tần số: Mô phỏng các sự cố cho thấy hệ thống lưới điện tỉnh Bến Tre vẫn duy trì được ổn định điện áp và tần số trong phạm vi cho phép, tuy nhiên có xu hướng dao động lớn hơn khi có sự tham gia của nhà máy điện gió, đặc biệt trong các trường hợp tải cực tiểu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến động điện áp và dòng ngắn mạch tăng là do đặc tính biến thiên của nguồn điện gió, phụ thuộc vào tốc độ gió và điều kiện vận hành turbine. So với các nghiên cứu tương tự tại các tỉnh miền Trung và Bình Định, kết quả nghiên cứu tại Bến Tre tương đồng về mức độ ảnh hưởng và các biện pháp khắc phục.

Việc giảm tổn thất công suất khi tích hợp điện gió là một điểm tích cực, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện. Tuy nhiên, sự gia tăng dòng ngắn mạch và dao động điện áp đòi hỏi phải có các giải pháp kỹ thuật phù hợp như nâng cấp thiết bị bảo vệ, sử dụng bộ điều khiển công suất phản kháng và cải thiện mô hình điều khiển turbine.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp tại các nút lưới, biểu đồ dòng điện ngắn mạch và bảng tổng hợp tổn thất công suất ở các chế độ vận hành khác nhau, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của nhà máy điện gió lên lưới điện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống bảo vệ và điều khiển lưới điện: Cần điều chỉnh các thiết bị bảo vệ để đáp ứng dòng ngắn mạch tăng lên khoảng 10-15% khi có nhà máy điện gió, đảm bảo an toàn vận hành. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: EVN và các đơn vị quản lý lưới điện tỉnh Bến Tre.

  2. Ứng dụng bộ điều khiển công suất phản kháng: Lắp đặt các bộ điều khiển công suất phản kháng tại các điểm đấu nối nhà máy điện gió để ổn định điện áp và giảm dao động điện áp trong lưới. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư nhà máy điện gió phối hợp với EVN.

  3. Tăng cường giám sát và mô phỏng vận hành lưới điện: Sử dụng phần mềm mô phỏng như ETAP để theo dõi, phân tích các chế độ vận hành và sự cố, từ đó đưa ra các biện pháp vận hành phù hợp. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: Trung tâm điều độ hệ thống điện miền Nam và các đơn vị liên quan.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực nhân sự: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành lưới điện có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo cho cán bộ kỹ thuật và quản lý. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh phối hợp với EVN.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý ngành điện lực: Giúp hiểu rõ ảnh hưởng của nguồn điện gió lên lưới điện, từ đó hoạch định chính sách phát triển năng lượng tái tạo và nâng cấp lưới điện phù hợp.

  2. Kỹ sư vận hành và bảo trì lưới điện: Cung cấp kiến thức về mô hình hóa, mô phỏng và xử lý các sự cố liên quan đến tích hợp điện gió, nâng cao hiệu quả vận hành và độ tin cậy hệ thống.

  3. Chủ đầu tư và nhà phát triển dự án điện gió: Hỗ trợ đánh giá tác động kỹ thuật của dự án lên lưới điện địa phương, từ đó thiết kế hệ thống đấu nối và vận hành tối ưu.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý năng lượng, điện lực: Là tài liệu tham khảo khoa học, cung cấp phương pháp nghiên cứu, mô hình và kết quả thực nghiệm về tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nhà máy điện gió Thạnh Hải 1 có ảnh hưởng như thế nào đến điện áp lưới điện tỉnh Bến Tre?
    Khi phát công suất cực đại, điện áp tại các nút lưới 110 kV tăng khoảng 2-3%, còn khi phát công suất thấp, điện áp giảm 1-2%. Mức biến động này nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo chất lượng điện năng.

  2. Tổn thất công suất trên lưới điện thay đổi ra sao khi tích hợp nhà máy điện gió?
    Tổn thất công suất giảm khoảng 5% khi nhà máy điện gió phát công suất cực đại do nguồn điện được cung cấp gần phụ tải hơn, giảm tải cho các nguồn truyền thống.

  3. Các sự cố ngắn mạch có bị ảnh hưởng khi có nhà máy điện gió?
    Dòng ngắn mạch tăng khoảng 10-15% so với khi không có nhà máy điện gió, đòi hỏi nâng cấp thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển để đảm bảo an toàn vận hành.

  4. Phần mềm ETAP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    ETAP được dùng để mô phỏng các chế độ vận hành và sự cố của lưới điện 110 kV tỉnh Bến Tre khi có sự tham gia của nhà máy điện gió, giúp đánh giá ảnh hưởng và đề xuất giải pháp kỹ thuật.

  5. Giải pháp nào được đề xuất để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của nhà máy điện gió lên lưới điện?
    Các giải pháp gồm nâng cấp hệ thống bảo vệ, ứng dụng bộ điều khiển công suất phản kháng, tăng cường giám sát mô phỏng vận hành và đào tạo nhân sự kỹ thuật.

Kết luận

  • Nhà máy điện gió Thạnh Hải 1 có ảnh hưởng tích cực đến giảm tổn thất công suất và cung cấp nguồn điện bổ sung cho lưới điện tỉnh Bến Tre.
  • Biến động điện áp và dòng ngắn mạch tăng lên khi tích hợp điện gió đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật phù hợp để đảm bảo vận hành ổn định.
  • Phần mềm ETAP là công cụ hiệu quả trong mô phỏng, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của nguồn điện gió lên lưới điện.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống bảo vệ, điều khiển công suất phản kháng và đào tạo nhân sự nhằm nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc phát triển bền vững năng lượng tái tạo tại Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu điện ngày càng tăng.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp kỹ thuật đề xuất và mở rộng nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các nhà máy điện gió khác trong khu vực để hoàn thiện hệ thống lưới điện thông minh, đáp ứng yêu cầu phát triển năng lượng xanh. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện và áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn vận hành.