Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Phân tích ổn định hệ thống điện đảo Phú Quý

TÓM TẮT LUẬN VĂN ------ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẢO PHÚ QUÝ Ngày nay, với sự phát triển của khoa học, các công nghệ mới ra đời đã giải quyết được các thách thức trong cung c

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trang 2

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Phúc Khải

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS TS Vũ Phan Tú - Chủ tịch Hội đồng

2 TS Nguyễn Ngọc Phúc Diễm - Thư ký Hội đồng

3 PGS TS Nguyễn Văn Liêm - Cán bộ Phản biện 1

4 TS Trần Huỳnh Ngọc - Cán bộ Phản biện 2

5 TS Dương Thanh Long - Ủy viên Hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ HỒ THY HÀN MSHV: 2170134

Ngày, tháng, năm sinh: 18/05/1992 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã số: 8520201

I TÊN ĐỀ TÀI:

“PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẢO PHÚ QUÝ”

“STABILITY ANALYSIS OF PHU QUY ISLAND’S POWER SYSTEMS”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Giới thiệu sơ lược về đảo Phú Quý (vị trí, đặc điểm khí hậu, hiện trạng về lưới, tình

hình vận hành điện, …)

- Xây dựng cơ sở dữ liệu mô phỏng lưới bằng phần mềm PSSE

- Mô phỏng các chế độ vận hành bình thường và sự cố của lưới điện đảo Phú Quý

- Khảo sát tính ổn định về điện áp và tần số của lưới điện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN PHÚC KHẢI

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô thuộc bộ môn Hệ thống Điện – khoa Điện - Điện tử, đã dìu dắt em từng bước trên con đường chinh phục tri thức Nhờ vào các kiến thức tích lũy từ quý thầy cô trong quá trình học mà em đủ tự tin để hoàn thành đề tài này

Em xin dành lời cảm ơn đến thầy TS Nguyễn Phúc Khải, đã tận tình hướng dẫn và đồng hành cùng em trong hành trình trở thành một Thạc sĩ Kỹ thuật Điện Thầy luôn ân cần chỉ bảo em những hướng giải quyết vấn đề cũng như củng cố lại một số kiến thức còn thiếu sót Nhờ sự hỗ trợ kịp thời của thầy, em có được sự định hướng tốt nhất và tiết kiệm được thời gian Những tài liệu, bài báo khoa học cực kì hữu ích cùng với những lời động viên, đánh giá của thầy đã giúp ích cho em rất nhiều Một lần nữa, em xin chân thành cảm

ơn thầy

Kế đến, em xin gửi lời cảm ơn to lớn đến gia đình em, đặc biệt là ba và mẹ, đã nuôi nấng, dạy dỗ và luôn tạo điều kiện cho em được tiếp cận tri thức Ba mẹ luôn là điểm tựa vững chắc, là nguồn động lực lớn khiến em bước tiếp

Cuối cùng, xin cảm ơn các anh, chị, bạn bè đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ

em trong suốt quá trình làm luận văn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

VÕ HỒ THY HÀN

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN

 - -

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẢO PHÚ QUÝ

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học, các công nghệ mới ra đời đã giải quyết được các thách thức trong cung cấp, truyền tải và phân phối điện năng Các nguồn năng lượng tái tạo (chủ yếu là mặt trời và gió) kết hợp với nguồn phát điện Diesel, ban đầu chỉ phát công suất thấp phục vụ cho những phụ tải nhỏ đơn giản như hộ gia đình Dần dần, chúng ta từng bước thử nghiệm và áp dụng cho mô hình lưới lớn hơn Cụ thể, là cung cấp điện cho các đảo xa đất liền

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là hệ thống điện đảo Phú Quý, thuộc tỉnh Bình Thuận, khí hậu gió mùa Hệ thống điện đảo có điểm đặc biệt là một mô hình thu nhỏ của của hệ thống điện quốc gia, được vận hành độc lập ở cấp điện áp 22kV Trong đó, sử dụng nguồn hỗn hợp gồm: 13 máy phát Diesel (10 MW), 03 Turbine gió (6 MW) và điện mặt trời (0.8 MWp) Tổng công suất phát điện cho đảo là 16.8MW, tổng công suất phụ tải trên đảo: Pmax = 4.1 MW, Pmin = 1.9 MW Tỉ lệ phát giữa năng lượng tái tạo (gồm điện gió

và mặt trời) và Diesel là 75% - 25% Trong trường hợp gió không ổn định, Turbin gió bị dao động công suất lớn, buộc phải chạy nhiều máy phát Diesel để đảm bảo công suất dự phòng nóng Hiện nay, công suất khai thác lớn nhất của Turbine gió chỉ đạt tới 2.8 MW

Đề tài luận văn được thực hiện theo hướng ứng dụng, bao gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Hệ thống điện đảo Phú Quý

Chương 4: Xây dựng mô hình lưới điện Phú Quý trong PSS/E

Chương 5: Kết quả mô phỏng

Đầu tiên, đề tài thực hiện xây dựng mô hình lưới điện đảo Phú Quý trong phần mềm PSS/E, mô phỏng các chế độ hoạt động của lưới khi vận hành hỗn hợp giữa các nguồn năng lượng tái tạo và Diesel (04 trường hợp mô phỏng) Từ kết quả mô phỏng phân bố công suất, các sự cố và ngắn mạch 3 pha, lưới điện đảo Phú Quý đảm bảo an toàn cung cấp điện liên tục

Trang 6

Kế đến, thực hiện khảo sát phân tích tính ổn định về điện áp và tần số của lưới điện đảo Phú Quý với thời gian khắc phục sự cố từ 150ms đến 500ms khi có các sự cố nghiêm trọng trên lưới Kết quả khảo sát được trình bày dưới dạng xuất dữ liệu mô phỏng PSSE, bảng biểu, đồ thị và được so sánh theo quy định trong thông tư Từ đó, xác định được thời gian khắc phục sự cố cho hệ thống điện đảo Phú Quý tốt nhất nằm trong khoảng [150ms ; 250ms], điện áp không vượt quá 1.1pu

Cuối cùng, luận văn đưa ra các hướng nghiên cứu tiếp theo cho hệ thống biển đảo Phú Quý

Trang 7

ABSTRACT

 - -

STABILITY ANALYSIS OF PHU QUY ISLAND’S POWER SYSTEMS

With science's development, new technologies have been born and have solved challenges in power supply, transmission, and distribution Renewable energy sources (mainly solar and wind) are combined with Diesel power generation, initially generating only small power for simple loads such as households Then, we successfully applied it to the larger grid model It is primarily an achievement of power supply to the Island far from the mainland

The subject of research in this thesis is the Phu Quy island power system in Binh Thuan province, monsoon climate The island power grid has the unique feature of a miniature model of the national electricity system, which is operated independently at 22kV voltage The system uses diverse sources, including 13 Diesel generators (10 MW),

03 Wind turbines (6 MW), and Solar power (0.8 MWp) The total power generation capacity for the island is 16.8 MW, and the total load capacity: Pmax = 4.1 MW, Pmin = 1.9 MW The generation ratio of renewable energy generation (including wind and solar power) and Diesel is 75% - 25% Wind turbines suffer from large power fluctuations in unstable winds, forcing them to run multiple Diesel generators to ensure hot backup power Currently, the largest capacity of wind turbines only reaches 2.8 MW

Thesis is applied oriented, consisting of 5 chapters:

Chapter 1: Overview

Chapter 2: Theoretical Basis

Chapter 3: Phu Quy Island Power System

Chapter 4: Phu Quy grid model in PSS/E

Chapter 5: Simulation Results

Firstly, the project builds a model of the Phu Quy island grid in PSS/E software and simulates the operating modes of the grid when operating a mixture of renewable energy sources and Diesel (04 simulated cases) From the results of simulating power distribution,

Trang 8

tripping case, and 3-phase short circuits, the Phu Quy island power grid ensures the safety

of an uninterrupted power supply

Secondly, the thesis analyzes the power grid stability (voltage and frequency) in different clear fault times, from 150ms to 500ms, when there are significant problems on the grid Thus, it is determined that the best clear fault time of the Phu Quy island power grid reaches in the range [150ms; 250ms], and the voltage does not exceed 1.1pu The results will be shown in the form of PSS/E output results, tables, and graphs and compared according to Vietnam's electricity regulations

Finally, the thesis offers further study directions for the Phu Quy island power system

Trang 9

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Nguyễn Phúc Khải Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực xuyên suốt quá trình nghiên cứu

Trường hợp có bất kì thông tin sai sự thật, liên quan tới luận văn, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Học viên thực hiện luận văn

Võ Hồ Thy Hàn

Trang 10

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ I LỜI CẢM ƠN II TÓM TẮT LUẬN VĂN III ABSTRACT V LỜI CAM ĐOAN VII MỤC LỤC VIII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT X DANH MỤC HÌNH ẢNH XI DANH MỤC BẢNG XVIII MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Phương pháp thực hiện 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Vị trí địa lý của đảo Phú Quý 4

1.2 Đặc điểm khí hậu thủy văn 4

1.3 Địa hình – địa chất 5

1.4 Hành chính 5

1.5 Hiện trạng về lưới và tình hình vận hành điện 5

1.5.1Hiện trạng về lưới 5

1.5.2Tình hình vận hành 6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Tổng quan về HTĐ 9

2.2 Các chế độ làm việc trong HTĐ 10

2.3 Bài toán phân bố công suất trong HTĐ 11

2.4 Bài toán ngắn mạch trong HTĐ 11

2.4.1Ngắn mạch trong HTĐ 11

2.4.2Tiêu chuẩn về ngắn mạch 13

2.5 Bài toán ổn định trong HTĐ 13

2.5.1Ổn định góc máy phát 14

2.5.2Ổn định tần số 15

2.5.3Ổn định điện áp 15

2.5.4Tiêu chuẩn về ổn định 16

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẢO PHÚ QUÝ 17

3.1 Sơ đồ lưới điện đảo Phú Quý 17

3.2 Mô tả dữ liệu về nguồn 19

3.2.1Turbine gió 19

3.2.2Tổ hợp máy phát Diesel 19

3.2.3Nguồn điện mặt trời 19

3.3 Mô tả dữ liệu về phụ tải 19

3.4 Mô tả dữ liệu về tuyến đường dây 22kV 21

3.5 Mô tả phương thức vận hành hỗn hợp 22

Trang 11

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÚ QUÝ TRONG PSSE 23

4.1 Lưới điện mô phỏng 23

4.1.1Nguồn phát 25

4.1.2Đường dây 26

4.1.3Máy biến áp 29

4.2 Các mô hình khảo sát ổn định trong PSSE 29

4.2.1Mô hình Nguồn Diesel 30

4.2.2Mô hình Nguồn ĐG 35

4.2.3Mô hình Nguồn ĐMT 41

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 46

5.1 Khảo sát phân bố công suất 46

5.1.1Trường hợp 1: ĐG phát cực đại - ĐMT phát cực đại 46

5.1.2Trường hợp 2: ĐG phát cực đại – ĐMT không phát 55

5.1.3Trường hợp 3: ĐG phát cực tiểu – ĐMT phát cực đại 64

5.1.4Trường hợp 4: ĐG phát cực tiểu – ĐMT không phát 73

5.2 Khảo sát ngắn mạch 3 pha 82

5.3 Khảo sát ổn định 83

5.3.1Kịch bản chạy ổn định – sự cố ngắn mạch: 84

5.3.2Kịch bản chạy ổn định – sự cố mất tổ máy phát 145

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 156

TÀI LIỆU THAM KHẢO 157

PHỤ LỤC 159

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 170

Trang 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Bản đồ đảo Phú Quý 4

Hình 1.2: Thống kê sản lượng gió – Diesel – NLMT năm 2020 8

Hình 2.1: Mô hình HTĐ cơ bản (nguồn Internet) 9

Hình 2.2: Phân loại ổn định trong HTĐ 14

Hình 3.1: Sơ đồ 1 sợi lưới điện 22kV đảo Phú Quý 18

Hình 4.1: Mô hình lưới điện đảo Phú Quý trong PSSE 24

Hình 4.2: Sơ đồ tương đương cho đường dây 26

Hình 4.3: Sơ đồ máy biến áp 2 cuộn dây 29

Hình 4.4: Sơ đồ khối mô hình GENROU 30

Hình 4.5: Sơ đồ khối mô hình bộ kích từ EXST1 32

Hình 4.6: Sơ đồ khối bộ điều tốc DEGOV1 cho máy phát Diesel 33

Hình 4.7: Sơ đồ khối bộ ổn định IEEEST 34

Hình 4.8: Mô hình Turbine công nghệ DFIG nguồn: Internet [15] 36

Hình 4.9: Nguyên lý mô hình hoạt động của turbine gió Type 3 36

Hình 4.10: Sơ đồ khối bộ máy phát turbine WT3G1 37

Hình 5.1: Sơ đồ lưới điện trường hợp 1 47

Hình 5.2: Kết quả PBCS trường hợp 1 48

Hình 5.3: TH1 - Sơ đồ lưới khi cắt máy phát Windfarm 1 52

Hình 5.4: TH1 - Sơ đồ lưới khi tuyến đường dây 900 – 1002 bị đứt 54

Hình 5.7: TH2 - Sơ đồ lưới khi cắt máy phát Windfarm 1 61

Hình 5.8: TH2 - Sơ đồ lưới khi tuyến đường dây 1362 – 1332 bị đứt 63

Trang 14

Hình 5.11: TH3 – Sơ đồ lưới khi cắt máy phát Windfarm 1 70

Hình 5.12: TH3 – Sơ đồ lưới khi tuyến đường dây 900 – 1002 bị đứt 72

Hình 5.15: TH4 – Sơ đồ lưới khi cắt máy phát Windfarm 1 79

Hình 5.16: TH4 – Sơ đồ lưới khi tuyến đường dây 900 – 1002 bị đứt 81

Hình 5.17: TH1- 150ms - Kết quả khảo sát điện áp tại nút 900 và 1002 85

Hình 5.18: TH1- 150ms - Kết quả khảo sát điện áp tại các nút lân cận 86

Hình 5.19: TH1- 150ms - Kết quả khảo sát công suất trên một số đường dây 86

Hình 5.20: TH1- 150ms - Kết quả khảo sát công suất máy phát Diesel 87

Hình 5.21: TH1- 150ms - Kết quả khảo sát công suất máy phát ĐG 87

Hình 5.22: TH1- 150ms - Kết quả khảo sát góc máy phát ĐG 88

Hình 5.23: TH1- 150ms -Kết quả khảo sát độ chênh lệch tần số 88

Hình 5.24: TH1 - 250ms - Kết quả khảo sát điện áp tại nút 900 và 1002 89

Hình 5.25: TH1 - 250ms - Kết quả khảo sát điện áp tại các nút lân cận 89

Hình 5.26: TH1 - 250ms - Kết quả khảo sát công suất trên một số đường dây 90

Hình 5.27: TH1 - 250ms - Kết quả khảo sát công suất máy phát Diesel 90

Hình 5.28: TH1 - 250ms - Kết quả khảo sát công suất máy phát ĐG 91

Hình 5.29: TH1 - 250ms -Kết quả khảo sát góc máy phát ĐG 91

Hình 5.30: TH1 - 250ms - Kết quả khảo sát độ chênh lệch tần số 92

Trang 15

Hình 5.36: TH1 - 350ms - Kết quả khảo sát góc máy phát ĐG 95

Trang 16

Trang 17

Trang 18

Hình 5.129: TH1 - Kết quả khảo sát điện áp tại nút 600 và lân cận 145

Hình 5.130: TH1 - Kết quả khảo sát công suất trên một số đường dây 146

Hình 5.131: TH1 - Kết quả khảo sát công suất nguồn phát 146

Hình 5.132: TH1 - Kết quả khảo sát độ chênh lệch tần số 147

Hình 5.133: TH2- Kết quả khảo sát điện áp tại nút 600 và lân cận 148

Trang 19

Trang 20

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Ký hiệu và xác suất xảy ra các dạng ngắn mạch 12

Bảng 3.1: Phụ tải Phú Quý 20

Bảng 3.2: Thông số đường dây 22kV trên đảo Phú Quý 22

Bảng 4.1: Điện áp và tổng trở cơ bản của hệ thống điện 25

Bảng 4.2: Dữ liệu về công suất các nguồn phát hiện hữu trên đảo Phú Quý 25

Bảng 4.3: Thông số các tuyến đường dây trên đảo Phú Quý 27

Bảng 4.4: Thông số cài đặt cho bộ GENROU 30

Bảng 4.5: Thông số cài đặt cho bộ kích từ EXST1 32

Bảng 4.6: Thông số cài đặt cho bộ điều tốc DEGOV1 33

Bảng 4.7: Thông số cài đặt cho bộ ổn định IEEEST 34

Bảng 4.8: Thông số cài đặt cho bộ WT3G1 37

Bảng 4.9: Thông số cài đặt cho bộ WT3E1 37

Bảng 4.10: Thông số cài đặt cho bộ Turbine WT3T1 39

Bảng 4.11: Thông số cài đặt cho bộ điều khiển bước WT3P1 40

Bảng 4.12: Thông số cài đặt cho bộ PVGU1 41

Bảng 4.13: Thông số cài đặt cho bộ PVEU1 42

Bảng 4.14: Thông số cài đặt cho bộ PANELU1 43

Bảng 4.15: Thông số cài đặt cho bộ IRRADU1 44

Bảng 5.1: Các trường hợp khảo sát phân bố công suất 46

Bảng 5.2: Điện áp tại các nút trường hợp 1 48

Bảng 5.6: Kết quả khảo sát ngắn mạch 3 pha của 4 trường hợp 82

Trang 21

Bảng 5.7: Kết quả khảo sát ổn định trường hợp 1 100

Trang 22

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Phát triển kinh tế biển đảo, an ninh quốc phòng, kết hợp các phương án bảo vệ môi trường là một trong những chủ trương, nhiệm vụ lâu dài của Đảng và Nhà nước Việt Nam, với mục tiêu thúc đẩy mạnh quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế Đồng thời, điều đó như một lời cam kết của Việt Nam với thế giới về phát triển năng lượng xanh, sạch Để có thể thực hiện tốt nhiệm vụ này, việc cung cấp năng lượng điện cho các huyện đảo xa đất liền và cô lập với lưới điện quốc gia cần có quy hoạch phát triển cụ thể, nhanh chóng

Hiện nay, chi phí nhiên liệu truyền thống (than, khí,…) ngày càng tăng cao, chủ yếu

do việc nguồn nguyên liệu hóa thạch, khí đốt sắp cạn kiệt, những bất ổn giữa các quốc gia và nhu cầu sử dụng năng lượng tăng Trong khi đó, chi phí đầu tư các hệ thống nguồn NLTT (ĐG, ĐMT, …) lại giảm xuống cũng như các yêu cầu nghiêm khắc về bảo vệ môi trường đã thúc đẩy việc xây dựng và phát triển một hệ thống cung cấp điện hỗn hợp (nguồn Diesel, ĐG, ĐMT, …) cho những huyện đảo cô lập tại Việt Nam Đảo Phú Quý là một trong những đảo sớm triển khai mô hình HTĐ sử dụng nguồn điện hỗn hợp nói trên HTĐ đảo Phú Quý chủ yếu gồm: nguồn Diesel kết hợp các nguồn NLTT, các trạm biến áp, đường dây tải điện và các hộ tiêu thụ điện Điểm đặc biệt của HTĐ đảo Phú Quý là hoàn toàn tách biệt với HTĐ quốc gia

Đặc điểm cơ bản của HTĐ là công suất phát từ các nguồn điện sẽ cân bằng với công suất tiêu thụ cộng với công suất tổn hao trên thiết bị và đường dây Tuy nhiên, để đảm bảo cung cấp điện liên tục, ổn định và bền vững, cần thực hiện thêm công tác nghiên cứu lưới điện khu vực đảo Phú Quý

2 Mục tiêu của đề tài

Trong vận hành, việc đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định luôn được đặt lên hàng đầu Vì vậy, công tác tính toán, mô phỏng các quá trình quá độ, xác lập và ổn định của HTĐ, cụ thể là HTĐ đảo Phú Quý, vô cùng cần thiết Đề tài luận văn sẽ tập trung vào các mục tiêu sau:

- Xây dựng dữ liệu mô phỏng HTĐ đảo Phú Quý

Trang 23

- Khảo sát mô phỏng lưới điện đảo Phú Quý ở chế độ xác lập: tính toán phân bố công suất, điện áp, dòng điện trên các nhánh

- Khảo sát mô phỏng lưới điện đảo Phú Quý ở chế độ quá độ: khi có các dao động lớn trong hệ thống: sự cố ngắn mạch, sự cố mất tổ máy, sự cố cắt đường dây

- Khảo sát sự ổn định về tần số và điện áp

Dựa trên những mục tiêu đề ra, đề tài luận văn sẽ nghiên cứu sâu theo hướng ứng dụng, về tính ổn định HTĐ của đảo Phú Quý bằng chương trình PSS/E Sau đó, từ các kết quả mô phỏng, sẽ đưa ra những kết luận, các hướng phát triển trong tương lai nhằm nâng cao chất lượng điện năng của HTĐ trên đảo Phú Quý

• Bài toán ổn định về tần số, điện áp

- Đánh giá khả năng ổn định của HTĐ đảo Phú Quý

- Đề xuất hướng phát triển lưới điện trong tương lai

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là HTĐ trên đảo Phú Quý

- Áp dụng vào công tác vận hành và bảo đưỡng

- Dự báo các khả năng xảy ra trong chế độ vận hành bình thường và sự cố

- Cải tạo và nâng cao chất lượng lưới điện đảo Phú Quý

Ý nghĩa khoa học:

Trang 24

- Kiểm nghiệm những vấn đề còn tồn tại trên lưới điện

- Tìm ra những phương hướng cải tiến, công nghệ mới có thể áp dụng vào lưới điện trên đảo

Trang 25

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Vị trí địa lý của đảo Phú Quý

Phú Quý [10] là một huyện đảo thuộc tỉnh Bình Thuận, Duyên hải Nam Trung Bộ,

Việt Nam và là một quần đảo gồm 12 đảo lớn nhỏ, nằm ngoài cùng hệ thống đảo ở cực Nam Trung Bộ

Phú Quý nằm ở tọa độ 108o55' đến 108o58' kinh Đông và từ 10o29' đến 10o33' vĩ Bắc, khoảng cách tới các vùng lân cận như sau:

- Cách thành phố Phan Thiết 56 hải lý (khoảng 104 km) về phía Đông Nam

- Cách quần đảo Trường Sa 540 km về hướng Tây Nam

- Cách thành phố Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa 150 km về phía Nam

- Cách Côn Đảo 330 km về phía Đông Bắc

- Cách thành phố Vũng Tàu 200 km về phía Đông

Hình 1.1: Bản đồ đảo Phú Quý

1.2 Đặc điểm khí hậu thủy văn

Đảo Phú Quý có khí hậu gió mùa với hai mùa rõ rệt:

- Mùa gió Nam: từ tháng 5 đến tháng 8

- Mùa gió Bấc: từ tháng 9 đến tháng 4 năm sau

Trang 26

Lượng mưa trung bình hàng năm vào khoảng 1.000 đến 1.100mm Nhiệt độ không khí trung bình 22oC đến 28oC Độ ẩm không khí từ 72% đến 88%

Khí hậu tương đối ôn hòa, mát mẻ quanh năm Tốc độ gió ở Phú Quý khá lớn, trung bình năm khoảng 6m/giây (cấp 4) Vùng đảo ít có bão, tần suất là 0,66 lần/năm, nhưng thường xuyên chịu ảnh hưởng trực tiếp các đợt áp thấp nhiệt đới gây mưa to, gió lớn, biển động mạnh Trên đảo chỉ có những dòng chảy tạm thời vào mùa mưa Thủy triều ở vùng này thuộc thủy triều hỗn hợp, độ lớn triều trung bình 1,6m (lớn nhất tầm 2,2m và nhỏ nhất khoảng 0,3m) Độ mặn của nước biển khoảng 34,2%

1.3 Địa hình – địa chất

Địa hình trên đảo tương đối bằng phẳng, thuộc dạng gò đồi, có tính phân bậc khá rõ ràng Ngoài ba ngọn núi cao lần lượt là 108m, 86m và 46 m, ở trung tâm đảo, có những dãy đồi cao 15 đến 30m, còn ven đảo thường cao khoảng 5m đến 8m, thấp nhất khoảng 2m Thềm biển có độ cao dao động trong khoảng 2 đến 4m, có nhiều bãi cát, đồi cát, là các bãi tắm đẹp

Đảo Phú Quý được tạo thành chủ yếu bởi khối đá basalt olivin Trên đảo và trong phạm vi khu vực xung quanh đảo, hiện nay còn nhìn thấy dấu tích của 4 miệng núi lửa dưới nước và 2 chóp núi lửa ở trên đảo là núi Cấm và núi Ông Đụn Núi Cao Cát là phần sót lại của chùy núi lửa, còn được bảo tồn tốt, ở sườn phía Đông tạo thành vách dốc đứng tạo thế đứng hùng vĩ, còn trên đỉnh có những khối đá trầm tích-phun trào núi lửa với những hình dáng kỳ vĩ do thiên nhiên ngàn năm tạo lập mà ít nơi có được

Hệ thống nguồn điện sử dụng lưới 22kV để phân phối điện trên đảo gồm:

- Hệ thống hỗn hợp 13 máy Diesel với tổng công suất 10MW:

Trang 27

1.5.2 Tình hình vận hành

Năm 2020, tổng công suất phụ tải trên đảo: Pmax = 4,1 MW, Pmin = 1,9 MW Khi vận hành Turbine gió, bắt buộc phải luôn có tối thiểu một máy Diesel chạy kèm theo để điều áp, điều tần số nhằm ổn định hệ thống

Số liệu thống kê qua các năm ghi nhận:

- Vào các tháng 1, 2, 3, 7, 8, 11, 12 (dương lịch): thời tiết tại Phú Quý có gió

cao, sản lượng turbine gió phát cao hơn 50% so với sản lượng Diesel, trong các tháng này có thời điểm gió cao ổn định tỉ lệ thâm nhập gió/Diesel lên đến 80%/20%, trong trường hợp vận hành bình thường lâu dài tỉ lệ gió/Diesel là 75%/25%

- Các tháng 4, 5, 6, 9, 10 (dương lịch): gió thấp, sản lượng turbine gió phát

trung bình nhỏ hơn 35% so với sản lượng Diesel và tỉ lệ thâm nhập gió cũng thấp

Mặc dù, Điện lực Phú Quý đã có phương án vận hành nâng cao tỉ lệ thâm nhập gió lên đến 80% nhưng chỉ áp dụng trong trường hợp khi gió cao ổn định Trong trường hợp gió không ổn định, công suất Turbine gió thường bị dao động công suất lớn, buộc phải chạy nhiều máy Diesel để đảm bảo công suất dự phòng nóng nhằm ổn định hệ thống, làm giảm tỉ lệ thâm nhập của Turbine gió

Trang 28

Khi vận hành hỗn hợp giữa Diesel và gió, tỉ lệ thâm nhập gió bị hạn chế Nguyên nhân để gió thâm nhập càng cao, công suất các máy Diesel phải càng thấp Tuy nhiên, công suất các máy Diesel chỉ giảm thấp nhất đến mức 30%Pđm Diesel theo quy định nhà sản xuất Như vậy, máy Cummins chạy thấp nhất là 150 KW, máy Caterpillar và máy Perkins chạy thấp nhất là 300 kW, làm công suất phát turbine gió bị hạn chế, trong khi công suất phát cực đại của turbine gió không sử dụng hết

Khi gió giật mạnh đến ngưỡng hệ thống bảo vệ tác động ngừng turbine đột ngột thì sẽ xảy ra hiện tượng rã lưới điện trên đảo do công suất turbine gió bị mất lớn hơn công suất dự phòng nóng Diesel và các máy Diesel còn lại đáp ứng không kịp thời gây quá tải máy phát và rã lưới

Ngày 31/12/2020, đã nghiệm thu đưa vào vận hành hệ thống ĐMT, công suất đỉnh

là 806kWp góp phần tăng sử dụng nguồn NLTT Tuy nhiên, với phương thức vận hành hiện tại, tỉ lệ phát giữa NLTT và Diesel vẫn là 75% - 25% (NLTT gồm: ĐG và ĐMT)

Vì vậy, khi bổ sung thêm nguồn phát ĐMT vào thì buộc phải giảm nguồn phát turbine gió và vẫn duy trì nguồn phát phát Diesel 25% Ban ngày, khi trời nắng tốt sẽ

ưu tiên phát ĐMT 100%, các turbine gió sẽ bị khống chế công suất phát và máy Diesel vẫn chạy để đảm bảo nguồn dự phòng khi thời tiết có thay đổi đột ngột

Trang 29

Hình 1.2: Thống kê sản lượng gió – Diesel – NLMT năm 2020

Nhìn chung, sản lượng ĐG năm 2020 vẫn thấp hơn Diesel Qua thực tế vận hành cho thấy, nguồn gió ở Phú Quý rất lớn, có thể phát tối đa 6 MW trong thời gian dài 7 tháng trong năm Tuy nhiên, hiện nay công suất khai thác lớn Pmax củaTurbine gió chỉ đạt tới 2,8 MW

2,305

2,022

2,143 2,141

2,192

1,822

1,655 1,655

Sản lượng điện năm 2020 (x1.000KW)

Trang 30

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về HTĐ

HTĐ bao gồm có các nhà máy điện, các lưới điện, các hộ tiêu thụ được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện 4 quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng

Kết cấu pha, dây: 3 pha, 2 pha và 1 pha

Các lưới điện: làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng từ nơi sản xuất đến

nơi tiêu thụ

- Lưới hệ thống: nối các nhà máy điện với nhau và với các nút phụ tải khu vực

Ở Việt Nam lưới hệ thống do A0 quản lý, vận hành ở mức điện áp 500 kV

Trang 31

- Lưới truyền tải: phần lưới từ trạm trung gian khu vực đến thanh cái cao áp cung cấp điện cho trạm trung gian địa phương Thường từ 110-220 kV do A1, A2, A3 quản lý

- Lưới phân phối: từ các trạm trung gian địa phương đến các trạm phụ tải (trạm phân phối) Lưới phân phối trung áp (22-35kV) do sở điện lực tỉnh quản lý và phân phối hạ áp (220-380V)

Hộ tiêu thụ: do đặc điểm và yêu cầu từng loại khách hàng sử dụng điện nên phụ tải điện được chia ra loại 1, loại 2, loại 3

Để truyền tải điện đi xa, các nguồn phát (nhà máy điện) cần phải truyền tải công suất đến các trạm biến áp trung gian thông qua các tuyến đường dây Do đó, sẽ tồn tại các giới hạn công suất truyền tải theo điều kiện ổn định hệ thống, hoặc khi có các thay đổi trong hệ thống như thay đổi chế độ làm việc của máy phát làm thay đổi cấu trúc của hệ thống hay

sự cố dẫn đến phân bố lại công suất,… Khi đó, hệ thống sẽ rơi vào trạng thái không giữ được cân bằng dẫn tới các máy phát quay với các tốc độ khác nhau, nói cách khác là hệ thống bị mất ổn định Chính vì thế, lí thuyết về ổn định HTĐ được ra đời và phát triển

2.2 Các chế độ làm việc trong HTĐ

HTĐ làm việc ở hai chế độ chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ

- Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số hệ thống không thay đổi, hoặc

chỉ thay đổi xung quanh giá trị xác lập với sai số rất nhỏ trong một khoảng thời gian ngắn Chế độ làm việc bình thường và lâu dài của hệ thống là chế độ xác lập Sau sự cố, hệ thống làm việc và duy trì ở một chế độ nhất định cũng được gọi là chế độ xác lập

- Chế độ quá độ là chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ

xác lập khác sau khi xảy ra các tác động Chế độ quá độ sau tác động bị biến thiên nhưng sau một thời gian trở về vị trí ban đầu hoặc có trị số gần định mức được gọi là chế độ quá độ bình thường Ngược lại, Chế độ quá độ với thông số biến thiên mạnh nhưng sau đó tăng trưởng vô hạn hay bị giảm dần về giá trị 0, chế độ quá độ đó được gọi là chế độ quá độ sự cố

Trang 32

2.3 Bài toán phân bố công suất trong HTĐ

Phân bố công suất là bài toán quan trọng trong quy hoạch, thiết kế phát triển hệ thống trong tương lai cũng như trong việc xác định chế độ vận hành tốt nhất của hệ thống hiện hữu Có 4 phương pháp chính sau:

- Khảo sát phân bố công suất dùng ma trận YTC bằng phép lặp Gauss – Seidel

- Phân bố công suất dùng ma trận ZBUS bằng phép lặp Gauss – Seidel

- Phân bố công suất và phương pháp Newton – Raphson

- Phương pháp phân lặp Jacobi

Đối tượng của khảo sát phân bố công suất là xác định giá trị điện áp và góc pha ở các điểm nút, dòng công suất trên các nhánh và tổn thất công suất trong mạng điện

Ngày nay, nhờ vào phần mềm tính toán hổ trợ (cụ thể là phần mềm PSS/E), vấn

đề phân bố công suất được thực hiện nhanh chóng và chính xác

2.4 Bài toán ngắn mạch trong HTĐ

2.4.1 Ngắn mạch trong HTĐ

Hiện tượng các dây dẫn pha chạm nhau, chạm đất (trong HTĐ có trung tính nối đất) hoặc chạm dây trung tính đều được gọi là ngắn mạch Khi đó, tổng trở của hệ thống giảm đi, điện áp và dòng điện sẽ bị thay đổi và mạch điện trải qua quá trình quá độ đến duy trì

Trạng thái ngắn mạch phổ biến nhất là ngắn mạch thoáng qua, có thể tự hết và khi được loại trừ bằng tác động tức thời của máy cắt thì sẽ không xuất hiện ngắn mạch trở lại khi đóng máy cắt sau đó Sét là nguyên nhân thường gây ra ngắn mạch thoáng qua nhất, bên cạnh còn có những nguyên nhân khác như sự lắc lư của dây dẫn gây ra phóng điện và

sự va chạm của các vật khác bên ngoài đường dây

Trạng thái ngắn mạch lâu dài là loại ngắn mạch vẫn còn tồn tại khi đóng máy cắt trở lại sau tác động cắt tức thời nếu không có biện pháp xử lý Ngắn mạch lâu dài có nguyên nhân do dây chạm đất, do sứ cách điện bị vỡ, do hư hỏng cách điện, do bộ phận bảo vệ quá điện áp bị hỏng

Ngắn mạch trong hệ thống được chia thành:

- Ngắn mạch ba pha đối xứng (N(3), 3PH)

- Ngắn mạch không đối xứng

Trang 33

Các dạng ngắn mạch không đối xứng:

- Ngắn mạch chạm đất một pha (N(1), L-G)

- Ngắn mạch hai pha không chạm đất (N(2), L- )

- Ngắn mạch hai pha chạm đất (N(1,1), L-L-G)

Ngắn mạch ba pha (N(3), 3PH) được định nghĩa là ngắn mạch xảy ra đồng thời ở

cả ba pha Đây là loại sự cố nặng nề nhất Do tính đối xứng, việc tính toán ngắn mạch dạng này có thể thực hiện trên một pha

Bảng 2.1: Ký hiệu và xác suất xảy ra các dạng ngắn mạch

Dạng ngắn mạch Hình vẽ quy ước Kí hiệu Xác xuất xảy ra (%)

Dòng điện tức thời chạy qua các phần tử của hệ thống, ngay sau khi xảy ra sự cố ngắn mạch thì không giống như sau đó vài chu kỳ trước khi máy cắt được mở ở hai đầu đường dây sự cố Và dòng điện tại cả hai thời điểm trên cũng khác rất nhiều so với dòng điện ngắn mạch duy trì nếu ngắn mạch không được cô lập bởi máy cắt Thời gian cô lập ngắn mạch sẽ ảnh hưởng đến sức chịu đựng của trang thiết bị có dòng ngắn mạch đi qua

Trang 34

và tính ổn định của hệ thống Sự lựa chọn thích hợp máy cắt phụ thuộc vào hai yếu tố là dòng điện ngay khi ngắn mạch xảy ra và dòng điện mà máy cắt phải cắt Thông số tìm được từ việc tính toán ngắn mạch được dùng để :

Chẳng hạn, để tính chọn máy cắt điện, theo điều kiện làm việc của nó khi ngắn mạch cần phải xác định dòng ngắn mạch lớn nhất có thể có Muốn vậy, người ta giả thiết rằng ngắn mạch xảy ra lúc HTĐ có số lượng máy phát làm việc nhiều nhất, dạng ngắn mạch gây nên dòng lớn nhất, ngắn mạch là trực tiếp, ngắn mạch xảy ra ngay tại đầu cực máy cắt,

2.4.2 Tiêu chuẩn về ngắn mạch

Theo thông tư số 39/2015/TT-BCT về “Quy định hệ thống điện phân phối”, tại Điều 9 – bảng 3, dòng ngắn mạch lớn nhất cho phép và thời gian tối đa loại trừ sự cố được quy định như sau:

Điện áp Dòng ngắn

mạch lớn nhất (kA)

Thời gian tối

đa loại trừ sự

cố của bảo vệ chính (ms)

Thời gian chịu đựng tối thiểu của thiết bị (s)

Áp dụng tới ngày 31/12/2017

Áp dụng từ ngày 01/01/2018

2.5 Bài toán ổn định trong HTĐ

Nội dung của đề tài sẽ xem xét hai loại ổn định thường gặp trong hệ thống: tần số

và điện áp khi có sự cố nghiêm trọng

Trang 35

Ổn định HTĐ có thể được định nghĩa một cách tổng quát là đặc tính của HTĐ cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành bình thường và đạt đến trạng thái cân bằng với sai số chấp nhận được sau khi chịu các tác động của nhiễu

Chế độ quá độ có thể được gây ra bởi các nhiễu bé hoặc lớn Nhiễu bé xảy ra thường xuyên trong HTĐ dưới dạng thay đổi công suất của phụ tải, nhiễu lớn là các sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, sự cố dẫn đến cắt tổ máy phát hoặc tải lớn, mất đường dây kết nối của hệ thống,…

Ổn định hệ thống có thể chia làm các loại như sau:

Hình 2.2: Phân loại ổn định trong HTĐ

2.5.1 Ổn định góc máy phát

Ổn định góc máy phát là khả năng duy trì sự đồng bộ, cân bằng moment của các máy phát đồng bộ Khảo sát góc máy phát có ngừng dao động và trở về giá trị xác lập mới trong các điều kiện:

- Nhiễu lớn (Ổn định quá độ - do các sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch, mất

pha, mất tổ máy phát,…)

- Nhiễu nhỏ (Tín hiệu nhỏ - các nhiễu nhỏ trong hệ thống như việc khởi động

động cơ, quá tải,… có làm cho hệ thống dao động, mất điều khiển hay không)

Ổn định HTĐ Power System Stability

Ổn định tần số Frequency Stability

Ổn định Thời gian ngắn Mid-term Stability

Ổn định Thời gian dài Long-term Stability

Ổn định điện áp Voltage Stability

Ổn định điện

áp nhiễu lớn Large Disturbance

Ổn định điện

áp nhiễu bé Small Disturbance

Trang 36

2.5.2 Ổn định tần số

Khả năng HTĐ duy trì được tần số xác lập sau khi xảy ra các kích động làm mất cân bằng công suất giữa nguồn điện và phụ tải điện Khảo sát xem tần số và điện áp HTĐ

có nằm trong một dải cho phép trong các điều kiện:

- Khoảng thời gian ngắn (tác động của các bộ điều tốc, các dao động thường chậm

hoặc nhanh, kéo dài trong khoảng vài phút,…,)

- Khoảng thời gian dài (vận hành tua-bin, lò hơi, lò nguyên tử, các dao động diễn

ra chậm, tần số hệ thống không thay đổi…)

Theo thông tư số 25/2016/TT-BCT về “Quy định hệ thống điện truyền tải”, tại Điều 4 – bảng 1, dãi tần số được phép dao động và thời gian khôi phục được quy định như sau:

Chế độ vận

hành của hệ

thống điện

Dải tần số được phép dao động

Thời gian khôi phục, tính từ thời điểm xảy ra sự cố (Áp dụng từ ngày 01 tháng 01 năm 2018) Trạng thái chưa ổn định

(chế độ xác lập)

Khôi phục về chế độ vận hành bình thường

- Ổn định với nhiễu lớn hay còn gọi ổn định điện áp động (khi xảy ra các nhiễu

động lớn, các sự cố ngắn mạch, tác động của các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, dao động của tải, )

- Ổn định với nhiễu bé hay còn gọi là ổn định điện áp tĩnh (liên quan đến việc

xem xét đặc tính tĩnh P/Q-V của hệ thống, biên ổn định, độ dự trữ, ) Khả năng

Trang 37

phát công suất có thể bị giới hạn bởi nhiều yếu tố, trong đó, chủ yếu là do giới hạn truyền tải công suất của đường dây, khoảng cách truyền công suất, sụt áp tại đầu nhận,… Khi công suất truyền tải (P) tăng lên thì điện áp tại một số nút nằm trên và lân cận đường truyển sẽ giảm xuống Dung lượng công suất truyền đến khi điện áp giảm xuống chuẩn điện áp thấp gọi là giới hạn truyền điện áp thấp Việc truyền công suất tiếp tục tăng đến khi xác định được một điều kiện sụp đổ điện áp, đó chính là giới hạn truyền làm sụp đổ điện áp

2.5.4 Tiêu chuẩn về ổn định

Theo thông tư số 25/2016/TT-BCT về “Quy định hệ thống điện truyền tải”, HTĐ quốc gia đang vận hành ở chế độ bình thường hoặc sau khi sự cố đã được loại trừ phải duy trì chế độ đồng bộ và đáp ứng tiêu chuẩn về ổn định HTĐ được quy định tại như sau:

Dạng ổn định Tiêu chuẩn ổn định

Ổn định quá độ Góc pha của rotor tổ máy phát điện không được vượt quá 120 độ

Dao động góc pha rotor tổ máy phát điện được dập tắt trong khoảng 20 giây sau khi sự cố được loại trừ

Ổn định tín hiệu nhỏ Hệ số suy giảm của dao động (Damping Ratio) không được nhỏ hơn 5%

Ổn định điện áp động Trong thời gian 05 giây sau khi sự cố được loại trừ, điện áp tại điểm sự cố phải

được phục hồi ít nhất 75% giá trị điện áp trước khi sự cố

Ổn định điện áp tĩnh Hệ thống điện phải có dự phòng công suất ít nhất 5% theo đặc tính P-V trong

trường hợp 01 phần tử bị tách ra khỏi vận hành (N-1)

Ổn định tần số Hệ thống điện phải đảm bảo tiêu chuẩn về ổn định tần số đáp ứng theo quy

định tại khoản 1 Điều 4 Thông tư này

Trang 38

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẢO PHÚ QUÝ

3.1 Sơ đồ lưới điện đảo Phú Quý

Đặc điểm lưới điện đảo Phú Quý hoàn toàn tách biệt với HTĐ Quốc gia Vì vậy, lưới điện sẽ không có nhiều sự thay đổi

Sơ đồ tổng thể lưới điện 22 kV Phú Quý được thể hiện trong hình 3.1

Trang 39

Hình 3.1: Sơ đồ 1 sợi lưới điện 22kV đảo Phú Quý

Trang 40

3.2 Mô tả dữ liệu về nguồn

3.2.1 Turbine gió

Các thông số kỹ thuật chính như sau:

- Công suất tối đa 3 turbine gió: 6 MW (2MW/turbine Vestas)

- Phần quay (Rotor):

+ Sải cánh: 37 m + Đường kính quay quạt :75m

+ Số cánh: 03 + Chiều cao của mỗi trụ tháp turbine: 60m

- Phần máy phát (Generator):

+ Công suất định mức 2.100 kW + Điện áp ra 3 pha 0.69 kV

Điện áp đầu cực máy phát 0.4kV, hệ số công suất cosphi = 0.8

3.2.3 Nguồn điện mặt trời

Công suất điện mặt trời 0.806 MWp Đề tài thực hiện mô phỏng công suất phát của ĐMT trong khoảng 0.65MW

3.3 Mô tả dữ liệu về phụ tải

Phụ tải trên lưới điện Phú Quý chủ yếu là phụ tải sinh hoạt, có hệ số công suất cosφ rất cao Ghi nhận thực tế tại trạm máy phát Diesel trên đảo Phú Quý cho thấy, các tổ máy ở chế độ làm việc bình thường có hệ số công suất trong khoảng 0.91-0.93