Ảnh hưởng chất lượng điện năng của lưới điện nối máy phát điện gió

Tóm tắt

Bài báo này nghiên cứu máy phát điện gió khi kết nối vào hệ thống lưới điện sẽ gây ra nhiều ảnh hưởng tuab, in gió phụ thuộc nhiều vào tốc độ gió, mật độ không khí, thực tế cho thấy nếu lưới điện mà tuabin gió kết nối không đủ mạnh sẽ gây ra hiện tượng chập chờn, dao động điện áp tại một số nút trên lưới điện, bài viết thực hiện khảo sát mô hình nghiên cứu đối với lưới điện 3 máy 9 bus, sau đó thay thế 01 máy phát bằng 01 máy phát điện gió loại DFIG (Doubly – Fed Induction Generator), mô phỏng được thực hiện trên phần mềm PSAT (Power System Analyze Toolbox). Từ kết quả mô phỏng, có thể đề xuất bộ điều khiển SVC (Static Var Compensator) được áp dụng để nâng cao ổn định điện áp cho máy phát điện gió nối lưới điện.

Từ khoá: điện gió, máy phát cảm ứng nguồn kép DFIG, SVC.

1. Giới thiệu

Ngày nay, năng lượng tái tạo có vai trò rất quan trọng vì nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt dần. Ngoài ra, việc sử dụng các nguồn năng lượng này gây ra nhiều hệ quả nghiêm trọng như ô nhiễm môi trường, ô nhiễm nguồn nước, tăng lượng khí thải CO2, gây nên hiệu ứng nhà kính… Máy phát điện gió và điện mặt trời được sử dụng ở nhiều quốc gia, ở Việt Nam từng bước chiếm một tỉ trọng rất lớn. Mô hình máy phát điện gió gồm: đường dây, có nhiều phần tử như máy phát, máy biến áp, đường dây truyền tải.

Nhà máy điện gió có thể bao gồm nhiều máy phát tuabine gió, công suất ngõ ra của nhà máy phát gió gồm nhiều máy phát kết hợp với nhau kết nối với lưới điện thông máy biến áp.

Đối với các nhà máy điện gió có công suất lớn khi nối vào hệ thống sẽ có nhiều tác động đến lưới điện do tính chất dao động của gió trong tự nhiên.

Đối với máy phát điện gió, loại máy phát cảm ứng nguồn kép DFIG là loại được dùng phổ biến nhất vì có hiệu suất cao so với các loại máy phát gió khác như PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) and IG (Induction Generator). Hơn nữa, máy phát DFIG có khả năng điều khiển công suất tác dụng và phản kháng tốt hơn khi máy phát gió nối lưới điện.

Tuy nhiên, do cuộn dây stator kết nối trực tiếp lưới điện nên nó rất nhạy cảm với sự cố lưới điện. Bên cạnh đó, sự thay đổi ngẫu nhiên của nguồn điện gió sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng trong hệ thống kết nối nguồn điện gió. Những yếu tố làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng như: dao động điện áp, nhấp nháy,  sóng hài và độ chêch lệch điện áp, nên việc nghiên cứu tác động của nguồn điện gió đến hệ thống điện là rất quan trọng.

2. Ảnh hưởng máy điện gió đến hệ thống điện

Công suất đặt của một máy phát điện gió thường không lớn, tùy theo tiềm năng của năng lượng gió của địa phương chúng có thể kết nối với lưới điện phân phối (nếu cụm công suất nhỏ) hoặc kết nối với lưới điện 110KV (nếu công suất lớn). Do công suất phát của tuabin gió phụ thuộc vào hệ số công suất và các yếu tố bất định khác như mật độ không khí, tốc độ gió... do đó các ảnh hưởng của máy phát điện gió đến hệ thống điện được phân thành 2 loại:

- Các ảnh hưởng mang tính cục bộ, bao gồm: làm thay đổi luồng công suất trên nhánh của các xuất tuyến phân phối; ảnh hưởng đến điện áp các nút trên xuất tuyến phân phối; ảnh hưởng đến phối hợp bảo vệ của các rơle quá dòng, đến dòng điện sự cố, thiết bị chuyển mạch; ảnh hưởng đến chất lượng điện năng (dao động điện áp, chập chờn điện áp, độ tin cậy...).   

- Các ảnh hưởng mang tính hệ thống: ảnh hưởng đến ổn định tĩnh và ổn định động; ảnh hưởng đến quá trình điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống điện, ảnh hưởng đến tần số (đối với nguồn điện gió có công suất rất lớn).  

Ngoài việc gây ra các ảnh hưởng về suy giảm điện áp khi xảy ra ngắn mạch tại bus kết nối, nguồn điện gió còn gây ra một số ảnh hưởng đến chất lượng điện năng: hiện tượng sóng hài, hiện tượng chập chờn, hiện tượng dao động điện áp... Tất cả các hiện tượng trên đều ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng, phát nóng trên các thiết bị điện khác.  

3. Mô hình nghiên cứu

3.1. Mô hình hệ thống 3 máy 9 bus

Để xét ảnh hưởng nguồn điện gió đến hệ thống điện được hình thành từ việc kết nối các nhà máy điện với nhau, trong đó đa số là các máy phát điện đồng bộ, mô hình đề xuất nghiên cứu là hệ thống 3 máy 9 bus như . Hình 1.

3.2. Mô hình máy phát điện gió

Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG có mạch stator được kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất thông qua vành trượt như. Hình 2.

Bộ biến đổi công suất có 2 phần: phần 1 là bộ biến đổi phía máy phát RSC (Rotor Side Converter) và phần 2 là bộ biến đổi phía lưới GSC (Grid Side Converter), 2 phần này được kết nối theo kiểu “back – to –back”.

3.3. Mô hình hóa bằng phần mềm PSAT

Khảo sát ảnh hưởng của nguồn điện gió đến ổn định của hệ thống điện bằng phần mềm PSAT. Hệ thống 3 máy 9 bus cơ bản trong PSAT trong đó thay thế máy phát 2 bằng máy phát điện gió như . Hình 3.

4. Kết quả mô phỏng

Từ dạng sóng mô phỏng, trong đó màu đỏ là máy phát hệ thống, màu xanh là thay thế máy phát tuabin gió, kết quả cho thấy: Hình 4. chỉ ra nhu cầu công suất phản kháng tại một số bus khi có nguồn điện gió lớn hơn so với khi không có nguồn điện gió; Hình 5. chỉ ra điện áp một số nút dao động khi có nguồn điện gió kết nối vào hệ thống; Hình 6. và Hình 7. chỉ ra tốc độ rotor của máy phát 1 và 2 dao động với biên độ lớn hơn và thời gian xác lập dài hơn khi kết nối nguồn điện gió.

5. Kết luận

Như vậy, lưới điện có kết nối nguồn điện tuabin gió làm điện áp hệ thống dao động, kém ổn định và tác động xấu đến chất lượng điện năng; việc làm giảm dao động, chập chờn điện áp luôn là vấn đề phức tạp trong quá trình vận hành máy phát tuabin gió. Một trong những giải pháp cho vấn đề này là  bù công suất phản kháng bằng thiết bị FACTS để cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống như SVC, STATCOM.

6. Tài liệu tham khảo

1. Trịnh Trọng Chưởng (2011), Nghiên cứu các đặc trưng sụp đổ điện áp trong lưới điện có kết nối nhà máy điện gió;  Vol 14, No. k2 - 2011.
2. Trinh Trong Chuong, Truong Viet Anh (2014), study of the voltage stability of distribution network connected induction machines.
3. Trinh Trong Chuong; Voltage stability investigation of Grid connected Wind farm; Journal of Scient and Technology; No 71, pp, 39-47; HaNoi 2009.
4. A. Albakkar, O.P. Malik, “Adaptive Neuro-Fuzzy FACTS Controller for Transient Stability Enhancement”. 16th National Power System Conference, 15th-17th December, 2010.
5. A. Jain, P. P. Singh, and S. N. Singh,  “Control strategies for output power smoothening of DFIG with SVC in wind conversion system”, IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC), pp. 1 – 7, 2016.
6. d.-n. Truong, “STATCOM Based Fuzzy Logic Damping Controller For Improving Dynamic Stability Of A Grid Connected Wind Power System”, In Proc. International Conference On System Science And Engineering (ICSSE) , pp. 1-4, 2016.
7. G. A. Ramos, M. A. Riosm, D. F. Gómez, H. Palacios, L. A. Posada, “Power quality study of large-scale wind farm with battery energy storage system”, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, pp. 1 – 6, 2017.
8. A. Albakkar, O.P. Malik, “Adaptive Neuro-Fuzzy FACTS Controller for Transient Stability Enhancement”. 16th National Power System Conference, 15th-17th December, 2010.
9. A. Jain, P. P. Singh, and S. N. Singh,  “Control strategies for output power smoothening of DFIG with SVC in wind conversion system”, IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC), pp. 1 – 7, 2016.