GIỚI THIỆU
Đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập hai chỉ tiêu quan trọng là chất lượng điện năng và tỷ lệ xâm nhập điện gió. Hai tiêu chí này tỷ lệ nghịch với nhau trong vùng có tỷ lệ xâm nhập điện gió cao. Do vậy, cần có phương pháp vận hành phù hợp để tối đa hóa tỷ lệ xâm nhập điện gió mà vẫn đảm bảo chất lượng điện năng. Đây chính là mục đích bài báo này.
• Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện gió
• Xây dựng giải pháp lưới điện thông minh cho hệ thống điện Bình Định
Trong quá trình vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel thì cần phải thỏa mãn các điều kiện ràng buộc liên quan đến các giới hạn kỹ thuật. Hai điều kiện ràng buộc quan trọng là vận hành ổn định và đảm bảo chất lượng điện năng. Việc phân tích chất lượng điện năng thường được đánh giá thông qua các kết quả mô phỏng, thực nghiệm, thực tế. Còn việc đánh giá tính ổn định của hệ thống thì hiện nay có nhiều phương pháp cho phép phân tích và đánh giá trên mô hình toán. Do vậy, Bài báo này sẽ xác định vùng làm việc theo giới hạn ổn định, sau đó kiểm tra chất lượng điện năng tại các điều kiện cụ thể.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Mô hình DFIG
1.1.1 Mô hình DFIG ở trạng thái xác lập
Sơ đồ mạch thay thế tương đương một pha cho DFIG như Hình 1.
Phương trình cân bằng điện áp:
Us = RsIs + jX + sIs +jXmI0
Trong đó:
Us – điện áp stato
Is – dòng điện stato
U’r – điện áp roto quy đổi về phía stato
I’r – dòng điện roto quy đổi về phía stato
Rs – điện trở dây quấn stato
R’r – điện trở dây quấn roto
Xσs – điện kháng tản trên stato
X’σr – điện kháng tản trên roto quy đổi về phía stato Xm – điện kháng hỗ cảm giữa stato và roto
s – hệ số trượt.
1.1.2 Mô hình trạm phát điện gió
Trong chế độ làm việc thông thường dòng điện từ hóa máy biến áp nhỏ hơn nhiều so với dòng điện sơ cấp cũng như dòng thứ cấp quy đổi về sơ cấp. Khi đó ta có thể đơn giản hóa sơ đồ thay thế trạm điện gió như Hình 2.
Khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây phía trạm điện gió thì bộ phận bảo vệ phía roto của DFIG sẽ nối các cuộn dây roto với bộ điện trở phụ Rcrowbar như Hình 3.a. Khi đó DFIG chuyển thành WRIG có roto nối với điện trở phụ. Đồng thời máy phát sẽ vận hành theo đặc tính mới của WRIG như Hình 3.b.
Hệ thống phát điện gió kết hợp diesel thích hợp cho các vùng cô lập là những nơi mà sự mở rộng lưới điện quốc gia đến đó sẽ rất tốn kém. Hiện nay, chi phí cho lắp đặt một hệ thống các tấm quang điện có công suất lớn là rất lớn. Kèm theo đó việc lưu trữ điện năng trong một thời gian dài trên acqui sẽ làm cho chi phí bảo dưỡng và vận hành của hệ thống quang điện cũng khá cao. Chính yếu tố này mà lựa chọn hệ thống phát điện gió kết hợp với diesel cho các khu vực này là phù hợp.
Hệ thống phát điện gió kết hợp diesel hoạt động như một lưới nhỏ, cô lập. Hệ thống phát điện gió kết hợp diesel phổ biến có cấu trúc như Hình 5 bao gồm trạm điện gió, trạm điện diesel, hệ thống lưu trữ, tải giả kết nối với nhau qua lưới phân phối và truyền tải điện năng tới các hộ tiêu thụ.
Trong hệ thống phát điện gió kết hợp diesel trên Hình 5, bộ phận bộ chuyển đổi quay (rotary converter) có thể thay thế bằng bộ chuyển đổi điện tử công suất (power electronic converter). Các hệ thống phát điện gió kết hợp diesel đã xây dựng ở nước ta như bảng dưới đây. Ngoài ra, còn có máy phát điện gió 30 kW (công nghệ Nhật Bản) tại Hải Hậu – Nam Định. Đây là trạm phát điện hỗn hợp điện gió và diesel thử nghiệm, nhưng hiện nay hệ thống này đã ngừng hoạt động.
Bảng so sánh các dự án phát điện gió nối lưới cô lập
Ở Việt Nam đã có một số hệ thống phát điện sử dụng năng gió kết hợp với điện diesel. Trong số đó chỉ còn hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý đang vận hành và có tính chất tiêu biểu hơn (quy mô lớn nhất và hiệu quả nhất), nên bài báo chọn làm đối tượng chính cho các tính toán và phân tích cũng như so sánh.
Trạm phát điện diesel đã có từ năm 1999 bao gồm 6 máy phát loại VTA-28 của hãng Cummin, công suất danh định 500 kW (625 kVA), công suất tối thiểu 165 kW, điện áp đầu cực 0,4 kV, hệ số công suất 0,8. Hệ thống 0,4 kV này kết nối lưới 22 kV thông qua 03 máy biến áp làm việc song song loại 1600 kVA, 22±2×2,5/0,4 kV. Lưới điện 22 kV có tổng chiều dài khoảng 21,5 km gồm hai phát tuyến 471 và 472.
Từ năm 2011, trạm điện gió được đưa vào vận hành kết hợp với trạm điện diesel. Trạm điện gió gồm 3 tuabin gió loại V80-2MW sử dụng DFIG của Tập đoàn Vestas. Mỗi tuabin gió có công suất danh định 2,0 MW và điện áp danh định 690 V, được nối lưới 22 kV thông qua máy biến áp khô công suất 2,1 MVA, 22/0,69 kV, YN/yn–0. Công suất tối thiểu của 01 tuabin gió là 500 kW khi tốc độ gió từ 7,2 m/s đến 17,8 m/s; là 550 kW đến 800 kW khi tốc độ gió từ 17,8 m/s đến 25 m/s.
Lưu đồ thuật toán để tính toán thông số vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel theo hướng phát cực đại công suất trạm điện gió như Hình 6. Trong đó hàm roundup () là hàm làm tròn lên giá trị nguyên lớn hơn kề giá trị thực đang có.
Thuật toán đề xuất (Hình 6) sẽ phân tích công suất phụ tải hiện tại để quyết định có tiếp tục phát điện hay phải tạm ngừng nếu phụ tải quá thấp (dưới công suất tối thiểu của máy phát diesel). Trường hợp tiếp tục phát điện, nếu công suất phụ tải nhỏ hơn tổng công suất tối thiểu của một tuabin gió và một máy phát diesel thì chỉ vận hành trạm điện diesel, còn ngược lại thì tính toán vận hành theo hướng cực đại hóa lượng công suất phát của trạm điện gió. Quá trình tính toán để cực đại hóa lượng công suất phát của trạm điện gió cơ bản bao gồm các bước sau: ước lượng số tuabin gió tối đa có thể vận hành; tính toán số máy phát điện diesel tối thiểu có thể vận hành; tính toán kiểm tra dự trữ quay để quyết định số lượng máy phát điện diesel tối thiểu phải vận hành.
Phần mềm PSS/adept đã được ứng dụng cho tính toán và phân tích hệ thống điện ở hầu hết các quốc gia trên thế giới và cũng được Tập đoàn Điện lực Việt Nam ứng dụng. Trên cơ sở cấu trúc lưới điện thực tế ở Phú Quý, bài báo đã mô phỏng trên phần mềm PSS/adept với đầy đủ các thông số của hệ thống. Từ đó tiến hành mô phỏng kiểm tra tất cả các chế độ với phụ tải cực đại, cực tiểu, gió mạnh, gió yếu, số lượng tuabin gió tham gia kết nối nhiều nhất, ít nhất. Tất cả các kết quả tính toán được kiểm tra trên phần mềm PSS/adept cho thấy hoàn toàn đảm bảo các tiêu chuẩn về cung cấp điện. Không có sự sụt áp đáng kể tại các nút tải.
Bài báo hướng đến mục tiêu nâng cao mức xâm nhập điện gió của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập, cụ thể là: bắt đầu từ tổng quát về hệ thống phát điện hỗn hợp này, khái quát lý thuyết và đề xuất giải pháp nâng cao mức xâm nhập điện gió có xét đến các điều kiện ràng buộc trong vận hành, xây dựng mô hình đánh giá về khả năng vận hành ổn định, xây dựng mô hình đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất; từ bài học kinh nghiệm đối với các hệ thống đã có, bài báo đề xuất phương pháp tính toán xác định trạm điện gió phù hợp với trạm điện diesel đã có ở vùng cô lập nhằm tối đa lợi ích kinh tế trong vận hành nhưng lại giảm thấp chi phí đầu tư.
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Bảo Anh, Điều khiển trực tiếp công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện năng lượng gió (DFIG) dùng mạng nơ-rôn nhân tạo, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, 2013.
[2] Lữ Thái Hòa, Mô hình hóa và điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát điện gió nguồn kép, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM, 2014.
[3] Nguyễn Tri Nhân, Mô hình hóa và mô phỏng máy phát điện DFIG, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM, 2016.
[4] Đỗ Hoàng Ngân Mi, “Ứng dụng thuật toán trượt – thích nghi điều khiển DFIG trong máy phát điện gió”, Tạp chí khoa học, Trường Đại học Đông Á, 2015.
[5] Nguyễn Anh Nam, Mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát điện không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, 2015.
[6] N. A. Janssens, G. Lambin, N. Bragard, “Active power control strategies of DFIG wind turbines”, IEEE Power Tech, 2007.
[7] B. Babypriya and N. Devarajan, “Simulation and analysis of a DFIG wind energy conversion with genetic fuzzy controller”, International Journal of Soft Computing and Engineering, IJSCE, pp. 176 – 182, vol. 2, no. 2, 2012.
[8] F. K. A. Lima, A. Luna, P. Rodríguez, E. H. Watanabe and M. Aredes, “Study of a simplified model for DFIG-based wind turbines”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE, 2009.
[9] Y. H. Yuan and F. Wu, “Short-circuit current analysis for DFIG wind farm considering the action of a crowbar”, Energies Journal, vol. 11, no. 425, pp. 1 – 15, 2018.
[10] M. K. Dosoglu and A. B. Arsoy, “Analysis of reduced order model based on doubly-fed induction generators during different fault times”, 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, ELECO 2013.
Ngô Đăng Lưu (Công ty Anh Minh Global)
Nguyễn Đình Long (Trường Đại học Đồng Nai)
Nguyễn Hùng (Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh)
Nguyễn Hữu Khoa (Trường Cao đẳng Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh)
