GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Giới thiệu tổng quan về nguồn phân tán
Mô hình điện phân tán có cả ưu điểm và nhược điểm so với mô hình tập trung, truyền thống (Bảng 2.1) Ví dụ, ở các vùng nông thôn/ hải đảo chưa được đầu tư phát triển hệ thống điện do nhiều điều kiện khó khăn, mô hình nguồn điện phân tán có thể là lựa chọn duy nhất, vì chi phí mở rộng lưới điện tập trung có thể rất cao Tương tự, ở những khu vực đã lắp đặt lưới điện tập trung, nguồn phát điện phân tán (DG) có thể cải thiện khả năng phục hồi của lưới điện bằng cách nâng cao độ tin cậy trong những trường hợp rủi ro như thời tiết khắc nghiệt Nó cũng có thể cung cấp một hướng cho đầu tư tư nhân trong tình hình hiện nay
Bảng 2.1 – So sánh khái niệm về hệ thống điện tập trung và phân tán [1]
- Một loạt các công nghệ cải tiến, hoàn thiện
- Chi phí sản xuất thấp hơn
- Phụ tải đa dạng hơn, làm phẳng đồ thị phụ tải
- Nền công nghiệp phát triển
- Thích hợp cho các cộng đồng nhỏ/ vùng sâu vùng xa
- Khả năng phục hồi của hệ thống cao hơn do sự đa dạng của nguồn cung cấp
- Giảm tổn thất truyền tải và phân phối
- Cho phép đầu tư tư nhân trực tiếp Các loại hình nguồn phân tán trên thế giới hiện nay gồm có:
− Nguồn điện mặt trời: Hệ thống các nhà máy năng lượng mặt trời phân tán trên thế giới đang phát triển nhanh chóng Dữ liệu được công bố về phát triển nguồn năng lượng mặt trời (bao gồm cả phát điện tập trung và
• Công suất đặt nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới đã tăng khoảng 40% mỗi năm kể từ đầu năm 2008 (Nguồn: REN 21, 2014)
• Công suất đặt nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới đạt 139 GW vào cuối năm 2013 với hơn một nửa công suất được lắp đặt trong năm 2012 và 2013 (Nguồn: REN21, 2014)
• Các dự báo của ngành cho thấy thị trường năng lượng mặt trời trên thế giới tiếp tục tăng trưởng, vượt 50 GW mỗi năm vào năm 2017
• Tại Việt Nam, tính đến đến cuối năm 2020, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời trên cả nước đã đạt khoảng 19.400 MWp tương đương 16.500 MW (Nguồn: evn.com.vn)
− Nguồn thủy điện nhỏ và siêu nhỏ: mô hình thủy điện nhỏ và siêu nhỏ không yêu cầu một con đập hoặc các sửa đổi lớn đối với dòng sông để khai thác năng lượng từ dòng chảy Tuy nhiên, chúng yêu cầu một dòng nước ổn định và đáng tin cậy cũng như kỹ thuật và thiết kế cụ thể cho từng địa điểm Dữ liệu về công suất đặt cho các nguồn thủy điện nhỏ và siêu nhỏ trên thế giới rất khan hiếm Công suất đặt của thủy điện nhỏ (dưới 10 MW) trên thế giới hiện tại là 75 GW với tiềm năng tài nguyên bổ sung trên 100 GW, chủ yếu ở châu Á (Nguồn: UNIDO, 2013) Công suất đặt nguồn thủy điện nhỏ và siêu nhỏ ở một số quốc gia trên thế giới được cụ thể như sau:
• Pakistan có 538 nhà máy thủy điện siêu nhỏ với tổng công suất lắp đặt khoảng 8 MW
• Malaysia có 149 vị trí với công suất tiềm năng khoảng 29 MW
• Afghanistan 160 nhà máy thủy điện siêu nhỏ, trong đó có khoảng 30 ÷ 40% nhà máy đang trong giai đoạn xây dựng
− Nguồn năng lượng từ các tua bin gió: Tua bin gió có nhiều loại kích cỡ, từ loại tạo ra công suất dưới 1 kW (được sử dụng chủ yếu cho chiếu sáng khu dân cư và đường phố) đến loại có công suất lớn hơn 7 MW (được sử dụng để hòa lưới) Các tuabin gió nhỏ thường nhỏ hơn 100 kW và được đặt tại hoặc gần điểm tiêu thụ điện Tính đến cuối năm 2012, đã có khoảng 1 triệu tuabin gió nhỏ được lắp đặt trên toàn thế giới, với tổng công suất phát điện khoảng 700 MW (WWEA, 2014) Công suất đặt nguồn năng lượng từ các tua bin gió công suất nhỏ tại một số quốc gia trên thế giới được cụ thể như sau:
• Trung Quốc là thị trường lớn nhất cho các tuabin này, chiếm 39% công suất toàn cầu (Nguồn: WWEA, 2014)
• Mỹ (31% công suất toàn cầu và Anh (9%) lần lượt đứng thứ hai và thứ ba (Nguồn: WWEA, 2014)
• Hầu hết các cơ sở lắp đặt tuabin gió nhỏ ở Trung Quốc và Hoa Kỳ là không nối lưới, nghĩa là chúng phục vụ cho một hộ gia đình hoặc tòa nhà (Nguồn: WWEA 2014; US DOE, 2014)
Một số mô hình nguồn phân tán được nghiên cứu trên thế giới hiện nay gồm các loại hình nguồn phát như điện mặt trời, điện gió, điện sinh khối và một số nguồn năng lượng tái tạo khác
Hình 2.2 – Mô hình của DER trong các nghiên cứu về trạng thái ổn định [3]
Hình 2.3 – Mô hình nguồn phát phân tán ở Canada
Xu hướng phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam
Hệ thống điện Việt Nam đang trải qua quá trình chuyển đổi sâu sắc: một số mô hình cũ trở nên mờ nhạt và các tầm nhìn mới cần được phát triển để đối mặt với những thách thức mà biến đổi khí hậu, sự khan hiếm tài nguyên và đô thị hoá sẽ mang lại trong một, hai thập kỷ tới
Các nhà máy điện luôn là một phần không tách rời của hệ thống điện Xét về mặt kinh tế, công suất các nhà máy điện càng lớn, hiệu quả kinh tế càng cao Tuy nhiên, do phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu sơ cấp, nên các nhà máy điện thường nằm xa phụ tải, xa các khu dân cư Hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối sẽ đảm nhận nhiệm vụ đưa điện từ các nhà máy này tới các hộ tiêu thụ Đây là mô hình phát điện tập trung dạng truyền thống, được sử dụng trong điều kiện chi phí vận chuyển nhiên liệu và chi phí xây dựng các nhà máy điện gần trung tâm phụ tải vượt xa chi phí xây dựng lưới truyền tải và phân phối điện
Do nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, hàng năm, ngành Điện Việt Nam còn phải đối mặt với thiên tai, bão lũ gây nhiều sự cố trên lưới điện nói chung và đặc biệt là lưới điện truyền tải nói riêng Bên cạnh đó, yêu cầu đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng của khách hàng ngày càng cao, đòi hỏi ngành Điện phải có những bước đi phù hợp trong xây dựng hệ thống nguồn và lưới điện
Mô hình phát điện phân tán (Distributed Generation - DG) là mô hình phát điện quy mô nhỏ, nằm gần hoặc ngay tại điểm tiêu thụ điện năng Mặc dù mô hình có hiệu quả kinh tế không cao so với mô hình phát điện tập trung, nhưng lại có tính dự phòng và độ tin cậy lớn trong cung ứng điện cho tải khu vực Các nguồn năng lượng phân tán sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng carbon thấp một cách thông minh và linh hoạt Một
8 nghiên cứu mới đã phát triển công cụ lập kế hoạch liên ngành (cross- disciplinary) cho thấy năng lượng phân tán sẽ mang lại hiệu quả
Cơ cấu nguồn điện toàn quốc theo công suất đặt như sau:
Hình 2.4 – Cơ cấu nguồn điện toàn quốc năm 2021
Về quy mô hệ thống điện Việt Nam tính đến cuối năm 2021, tổng công suất lắp đặt nguồn điện toàn hệ thống đạt 76.620 MW, tăng gần 7.500 MW so với năm 2020, trong đó tổng công suất các nguồn điện năng lượng tái tạo (điện gió, điện mặt trời) là 20.670 MW (tăng 3.420 MW so với năm 2020) và chiếm tỷ trọng 27,0% Quy mô hệ thống điện Việt Nam đã vươn lên đứng đầu khu vực ASEAN về công suất nguồn điện
Hình 2.5 – Tăng trưởng công suất đặt nguồn điện giai đoạn 2010 – 2021 Mức tăng trưởng công suất đặt của các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, điện sinh khối, thủy điện nhỏ,… đạt mức tăng trưởng đáng kể đã tạo nên một mạng lưới các nguồn phân tán cung cấp điện cho lưới điện khu vực đảm bảo tính ổn định và dự phòng cho hệ thống điện
Theo kết quả khảo sát và đánh giá, hiện nay Việt Nam là một trong những nước có nhiều tiềm năng về phát triển các nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo Báo cáo đánh giá tiềm năng gió và mặt trời do tổ chức AWS Truewind (Mỹ) thực hiện cho thấy, Việt Nam có 128.000 km 2 tương đương với 8% diện tích lãnh thổ đạt tốc độ gió là trên 7 m/s, ước tính, tổng công suất tiềm năng về điện gió trên toàn lãnh thổ Việt Nam khoảng 110.000 MW Tổng bức xạ năng lượng mặt trời trung bình trên lãnh thổ Việt Nam nằm trong khoảng 1346,8 - 2153,5 kWh/m 2 /năm, với số giờ nắng trung bình năm là 1600
2.3 Ảnh hưởng của các nguồn phân tán đến ổn định hệ thống điện
Hệ thống điện cần được xem xét, tính toán lại khi sự phát triển các nguồn phân tán ngày càng nhiều và phổ biến Sự phát triển của các nguồn phân tán là nguyên nhân dẫn đến việc giảm phát hoặc ngừng máy các nhà máy nhiệt điện Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo không có tính ổn định đã dẫn đến tình
10 phí nguồn nhiên liệu, gây hao tổn và làm giảm tuổi thọ thiết bị Ngoài ra, việc phát triển các nguồn phân tán này còn phải xem xét đến cấu trúc mạng truyền tải Mục đích phát triển các nguồn phân tán là cấp nguồn cho các phụ tải ở gần
Sự gia tăng mức độ xâm nhập của các nguồn phân tán đòi hỏi phải có một cấu trúc mạng truyền tải tối ưu, điều này gây ảnh hưởng đến tổn thất và hiệu suất truyền tải của hệ thống trong trường hợp có sự cố
Nhiều trường hợp mất điện đã được báo cáo do hệ thống điện không ổn định cho thấy tầm quan trọng của các nghiên cứu về độ ổn định Quán tính của hệ thống điện đóng một vai trò quan trọng trong sự ổn định của hệ thống điện Các nhà máy điện phân tán có quán tính kém hơn hoặc có quán tính rất nhỏ so với các nhà máy thông thường như thủy điện và nhiệt điện Trong trường hợp các nhà máy điện thông thường ngừng hoạt động do tác động của quá trình lão hóa Các nhà máy này có thể được thay thế bằng các nhà máy điện phân tán Việc thay thế này sẽ làm giảm quán tính của toàn hệ thống điện Do đó, độ ổn định của hệ thống điện cũng sẽ giảm xuống Tần số của hệ thống cũng giảm dần theo sự thay đổi của quán tính
Phương trình chuyển động rotor của máy phát được biểu diễn bởi biểu thức:
Hoạt động của máy phát có thể được mô tả bằng phương trình này Khi có nhiễu xảy ra, rotor máy phát đồng bộ sẽ tăng tốc hoặc giảm tốc dẫn đến quá trình chuyển động tương đối giữa trục rotor máy phát và trục đồng bộ Pm thay đổi theo công suất sơ cấp, Pe thay đổi do sự thay đổi công suất tiêu thụ bởi sự cố ngắn mạch, thay đổi cấu trúc lưới hoặc sự thay dổi của phụ tải tiêu thụ
Sự thay đổi tần số với sự mất cân bằng tải phát điện được cho bởi phương trình:
Các nguồn phân tán ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điện
Pm là công suất đầu vào
Pe là công suất đầu ra
0 là vận tốc góc đồng bộ
Jsystem là moment quán tính của hệ thống Hằng số quán tính H:
(2.2) và (2.3), tốc độ thay đổi tần số (ROCOF):
Từ phương trình (4) có thể thấy ROCOF chủ yếu phụ thuộc vào quán tính của hệ thống và sự mất cân bằng công suất Vì DG được kết nối thông qua bộ chuyển đổi với lưới điện không góp phần vào quán tính của hệ thống, ROCOF tăng khi mức độ thâm nhập của DG tăng lên
2.3.1 Ảnh hưởng của nguồn năng lượng gió (WPS)
Theo các nghiên cứu trước đây, người ta quan sát thấy rằng hệ thống điện sẽ tốt hơn về mặt ổn định điện áp với mức độ xâm nhập thấp Các tuabin của máy phát điện không đồng bộ nguổn kép (DFIG) không thể cung cấp nhiều công suất phản kháng như máy điện đồng bộ (SG) [20] Vì vậy, sự hỗ trợ điện áp sau khi gặp sự cố đối với DFIG không bằng SG Ngoài ra, tuabin máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG hoạt động như máy phát điện không đồng bộ lồng sóc (SCIG) trong khoảng thời gian quá độ Do đó có thể tiêu thụ công suất phản kháng và giảm giới hạn ổn định điện áp của hệ thống
Trong một nghiên cứu về tác động của sự xâm nhập 40% năng lượng gió đối với ổn định tần số và ổn định quá độ đối với một hệ thống thử nghiệm 39
12 trong trường hợp sự cố gần với vùng có có năng lượng gió xâm nhập lớn Nguyên nhân chính của việc này là do giảm phát công suất tác dụng và tăng khả năng hấp thụ công suất phản kháng Trong trường hợp sự cố gần các nguồn máy phát đồng bộ, người ta thấy rằng các nguồn tuabin gió giúp cải thiện ổn định quá độ với sự đóng góp công suất để đồng bộ các phần tử trong mạng điện
2.3.2 Ảnh hưởng của nguồn năng lượng mặt trời (PVS)
Trong các nghiên cứu trước đây về sự xâm nhập của nguồn PV liên quan đến độ ổn định điện áp cho thấy điện áp tại các nút máy phát PV có những dao động khi xảy ra sự cố mất nguồn tại bất kì nút máy phát PV trong hệ thống Dao động của điện áp càng cao khi mức thâm nhập của nguồn PV càng cao Trong một nghiên cứu về tác động của sự xâm nhập năng lượng mặt trời đối với hệ thống có tổng công suất nguồn là 5620MW Thực hiện mô phỏng sự cố ngắn mạch tại các nút có nguồn phát năng lượng mặt trời Kết quả mô phỏng đánh giá các mức độ xâm nhập của nguồn PV là 5%, 10%, 20% và vẫn giữ các nguồn SG trong hệ thống cho thấy độ ổn định điện áp của hệ thống bị ảnh hưởng ở mức xâm nhập 20% [23].
Kết quả nghiên cứu về mức xâm nhập của nguồn phân tán
Theo nghiên cứu khảo sát kiểm tra ổn định điện áp của P M Anderson với sự xâm nhập của nguồn năng lượng gió và mặt trời [17] được thực hiện với hệ thống có 9 Bus với 5 nguồn máy phát bao gồm các nguồn máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ nguồn kép (nguồn năng lượng gió) và nguồn năng lượng mặt trời Các kịch bản mô phỏng về mức độ xâm nhập của nguồn phân tán được chi tiết trong Bảng 2.2:
Bảng 2.2 – Kịch bản nghiên cứu mức độ xâm nhập nguồn NLTT
Nguồn máy phát Mức độ xâm nhập
Nguồn máy phát Mức độ xâm nhập
Kết quả ổn định Ổn định Ổn định Mất ổn định
Kết quả mô phỏng của P M Anderson cho thấy với mức độ xâm nhập của nguồn phân tán là 42.84% đã gây mất quán tính của hệ thống và làm mất tính ổn định của hệ thống
Như vậy, có thể thấy rằng nguồn phát phân tán có thể làm tăng độ tin cậy, giảm tổn thất truyền tải và phân phối Nguồn phân tán góp phần cải thiện chất lượng điện áp và ổn định điện áp Hơn nữa, các nhà máy điện phân tán (gió, mặt trời, thủy điện nhỏ,…) dễ huy động công suất, có tính linh hoạt hơn trong vận hành Tuy nhiên, các nguồn phân tán cũng gặp nhiều vấn đề về kỹ thuật trong việc nâng cao chất lượng nguồn điện, vận hành tách lưới và điều khiển công suất phản kháng [7], [20], [21], [22], [23] Và qua kết quả khảo sát nghiên cứu này cho thấy mức độ xâm nhập của nguồn phân tán không thể tăng lên đến mức hơn 40% và độ ổn định còn phụ thuộc vào vị trí và loại sự cố
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ổn định trong Hệ thống điện
Ổn định Hệ thống điện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi bị nhiễu, là điều kiện cần thiết để Hệ thống điện tồn tại và vận hành Khi Hệ thống điện mất ổn định có thể dẫn đến việc phải cắt hàng loạt các tổ máy phát hay cắt phụ tải dẫn đến tan rã Hệ thống điện, gây thiệt hại kinh tế
Hình 3.1 – Phân loại Ổn định Hệ thống điện Ổn định Hệ thống điện được chia làm 03 dạng:
3.1.1 Ổn định điện áp Ổn định điện áp là khả năng của Hệ thống điện duy trì điện áp xác lập chấp nhận được tại tất cả các thanh góp của hệ thống trong chế độ vận hành bình thường và sau khi chịu tác động của nhiễu Ổn định điện áp được chia làm 02 dạng:
- Ổn định điện áp động là khả năng của hệ thống điện duy trì điện áp xác lập tại các nút sau khi xảy ra các kích động lớn trong hệ thống điện
- Ổn định điện áp tĩnh là khả năng của hệ thống điện duy trì điện áp xác lập tại các nút sau khi xảy ra các kích động nhỏ trong hệ thống điện
3.1.2 Ổn định góc rotor Ổn định góc rotor: là khả năng của các máy phát đồng bộ liên kết với nhau trong Hệ thống điện duy trì sự đồng bộ Bài toán ổn định góc rotor liên quan mối quan hệ công suất phát và góc rotor
Dựa vào mức độ của nhiễu, ổn định góc rotor được chia làm 02 dạng:
- Ổn định tín hiệu nhỏ là khả năng các tổ máy phát điện trong hệ thống điện duy trì được trạng thái vận hành đồng bộ sau khi xảy ra các kích động nhỏ trong hệ thống điện, với mức độ dập tắt các dao động công suất tự nhiên trong giới hạn cho phép
- Ổn định quá độ là là khả năng của các tổ máy phát điện trong hệ thống điện duy trì được trạng thái vận hành đồng bộ sau khi xảy ra các kích động lớn trong hệ thống điện
3.1.3 Ổn định tần số Ổn định tần số là khả năng hệ thống điện 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.
Tiêu chí đánh giá tính ổn định điện áp
Các Tiêu chí đánh giá mức độ ổn định quá độ của hệ thống điện như sau:
− Đánh giá dựa trên thời gian dập tắt dao động sau khi xảy ra sự cố trên lưới điện, thời gian dập tắt dao động càng nhỏ sẽ giúp cho hệ thống càng nhanh ổn định và do đó được xem xét lựa chọn
− Khả năng làm suy giảm biên độ dao động và lấy lại trạng thái ổn định mới sau khi xảy ra sự cố trên lưới điện (có thể khác với trạng thái ổn định ban đầu)
− Tiêu chuẩn đối với ổn định điện áp động là điện áp tại điểm sự cố phải
05 giây sau khi sự cố được loại trừ Đối với ổn định điện áp tĩnh phải có dự phòng công suất ít nhất 5% theo đặc tính P-V trong trường hợp
01 (một) phần tử bị tách ra khỏi vận hành (N-1)
Các tiêu chuẩn đánh giá trên cũng là tiêu chuẩn ổn định hệ thống điện được quy định trong Thông tư 25/2016/TT-BCT.
Mô hình hóa các phần tử trong PSS/E
3.3.1 Mô hình nhà máy điện mặt trời
Mô hình nhà máy điện mặt trời bao gồm các khối: khối điều khiển điện (Electrical Controller) gồm mô hình điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng, mô hình Converter [9], [11], [23]
Hình 3.2 – Sơ đồ khối mô hình điều khiển PV trên PSS/E [23]
Mô hình này tương đương với bộ chuyển đổi và cách kết nối giữa nhà máy năng lượng mặt trời và hệ thống điện Nguồn dòng có điều khiển là đại lượng đại số tính toán dòng điện cần thiết đưa vào mạng đáp ứng các lệnh dòng điện tác dụng và phản kháng và dòng điện từ mô hình điều khiển điện Nguồn dòng có điều khiển này cũng kết hợp bộ logic nguồn điện áp thấp và bộ điều khiển chuyển đổi hoạt động nhanh giúp giảm thiểu quá điện áp bằng cách giảm đầu ra dòng điện phản kháng
Mô hình được thể hiện trong Hình 3.3 Các tín hiệu lệnh dòng điện tác dụng và phản kháng tạo ra trong mô hình điều khiển điện được mô tả trong phần sau Tín hiệu lệnh dòng điện tác dụng được khởi tạo để khớp với công suất phát từ dòng công suất sinh ra từ PV Nó không đổi trừ khi một mô hình do người dùng viết được sử dụng để cung cấp sự thay đổi của công suất theo thời gian Các bộ lọc thông thấp có độ trễ nhỏ (0.02 s) được biểu diễn hợp lý trong khung thời gian quan tâm
Logic nguồn điện áp thấp (LVPL) làm giảm dao động của hệ thống trong và ngay sau các sự cố liên tục bằng cách giới hạn dòng điện tác dụng yêu cầu về biên độ và tốc độ gia tăng Trong điều kiện hoạt động bình thường, điện áp đầu cuối được chặn cao hơn điểm ngắt do người dùng chỉ định (brkpt) và do vậy sẽ không có các giới hạn trên Khi điện áp giảm xuống dưới điểm ngắt trong khi xảy ra sự cố, giới hạn dòng sẽ được tính toán và áp dụng Khi điện áp thấp hơn điểm giao nhau 0 do người dùng chỉ định (zerox), giới hạn sẽ trở thành 0 Giới hạn tốc độ tăng dòng do người dùng chỉ định (rrpwr) là giá trị quan trọng để khôi phục nguồn điện sau sự cố Trong thời gian phục hồi này, điện áp sẽ vượt quá điểm ngắt và giới hạn được loại bỏ
Các điều khiển bộ chuyển đổi thực tế bao gồm một vòng khóa pha (PLL) để đồng bộ hóa với hệ thống Đây là sự giảm tuyến tính của dòng điện khi điện áp đầu cuối dưới 0.8 pu
Các bộ điều khiển nhanh cũng sẽ hoạt động để hạn chế điện áp dư thừa trên các đầu nối bằng cách triệt tiêu dòng điện phản kháng khi điện áp đầu cuối tăng quá mức Chức năng này điều khiển dòng điện phản kháng giảm xuống để giới hạn điện áp đầu cuối xuống 120% Dòng điện phản kháng được giới hạn ở định mức của nhà máy
3.4.1.2 Mô hình điều khiển công suất tác dụng
Mô hình điều khiển này chỉ định năng lượng hoạt động được cung cấp cho hệ thống dựa trên điều kiện ban đầu của dòng điện hoặc hồ sơ năng lượng mặt trời do người dùng viết (Pord) Nó chỉ định công suất phản kháng được phân phối dựa trên đầu ra bộ điều khiển VAr giám sát (Qord) Qord có thể đến từ một mô hình riêng biệt hoặc từ chức năng mô phỏng điều khiển phản kháng và điện áp Solar CONTROL có trong mô hình điều khiển Qord cũng có thể được giữ không đổi hoặc được xác định bằng bộ điều chỉnh hệ số công suất Mô hình bao gồm các chức năng điều khiển sau:
− Trình mô phỏng điều khiển năng lượng mặt trời
− Bộ điều chỉnh hệ số công suất
Sơ đồ khối tổng thể cho điều khiển công suất phản kháng và điều khiển điện được trình bày trong Hình 3.4 Các điều khiển này được mô tả chi tiết hơn trong các phần sau
Hình 3.4 – Mô hình điều khiển công suất tác dụng
3.4.1.3 Mô hình điều khiển công suất phản kháng
Mô tả chi tiết hơn của bộ điều khiển công suất phản kháng được thể hiện trong Hình 3.5
Hình 3.5 – Mô hình điều khiển công suất phản kháng Chức năng giả lập Solar CONTROL tương đương với phần điều khiển VAr giám sát của toàn bộ hệ thống quản lý nhà máy điện mặt trời (Solar CONTROL) Chức năng giám sát điện áp bus được chỉ định và so sánh nó với điện áp tham chiếu Ba tùy chọn Bus được điều chỉnh có sẵn: Bus đầu cuối, Bus từ xa do người dùng chỉ định hoặc một điểm tổng hợp trong hệ thống điện Bus cuối cùng được tổng hợp từ các phép đo điện áp và dòng điện cục bộ, và điện kháng bù Xc Bản thân bộ điều chỉnh là bộ điều khiển
PI Hằng số thời gian, Tc, phản ánh độ trễ liên quan đến thời gian chu kỳ, độ trễ giao tiếp và lọc bổ sung trong các điều khiển Độ trễ đo điện áp được biểu thị bằng hằng số thời gian Tr Bảng 3.1 đưa ra các cài đặt được đề xuất cho mô hình giả lập điều khiển công suất phản kháng
Phương pháp điều khiển công suất phản kháng khác có sẵn là điều khiển hệ số công suất Nó được kích hoạt bằng cách đặt Pfaflg thành 1 Dữ liệu liên quan đến chế độ này cũng được hiển thị trong Bảng 3.1 Cờ hiệu và cài đặt độ lợi thích hợp để đại diện cho các chiến lược điều khiển khác nhau
Bảng 3.1 – Tham số bộ điều khiển công suất phản kháng
Vfrz (pu) 0.7 Độ lợi PI, Kpv và Kiv có thể được điều chỉnh trong mô hình, nếu cần Các giá trị được đưa ra trong bảng là giới hạn trên thô, dựa trên mô phỏng và kinh nghiệm của GE Chúng phải phù hợp với các hệ thống có công suất ngắn mạch gấp 5 lần trở lên so với định mức của nhà máy điện mặt trời Các mức tăng cao hơn này sẽ cho phản ứng điện áp tốt hơn đối với các nhiễu điện áp lưới Tuy nhiên, lợi ích cao hơn dẫn đến nguy cơ mất ổn định tăng lên - không giống như cách mà lợi ích AVR có thể gây mất ổn định cho các máy điện đồng bộ thông thường Khi một hệ thống suy yếu, phản ứng vòng kín hiệu quả sẽ nhanh hơn Do đó, việc lựa chọn mức tăng cao hơn cho hiệu suất hệ thống phải đi kèm với phân tích đảm bảo hoạt động ổn định trong mọi điều kiện hoạt động đáng tin cậy - đặc biệt là điều kiện cường độ ngắn mạch tối thiểu
Tham số, fN, được sử dụng để đại diện cho các nhà máy điện gió với số lượng turbine gió trên dây bị giảm Đối với nhà máy điện mặt trời, thông số này nên được đặt thành 1
Chức năng Q Droop, thể hiện trong Hình 3.6, là một chức năng hoạt động tương đối chậm làm giảm tham chiếu điện áp hiệu dụng (Vrfq-Vqd) khi công suất phản kháng thay đổi Điều này cải thiện sự phối hợp giữa nhiều bộ điều khiển tích hợp điều chỉnh cùng một điểm trong hệ thống Theo mặc định, chức năng Q Droop bị tắt Nó có thể được kích hoạt bằng cách đặt tham số khuếch đại, Kqd, thành một giá trị khác không Dữ liệu điển hình được thể hiện trong Bảng 3.2 Có ba tùy chọn cho đầu vào công suất phản kháng cho chức năng này: công suất phản kháng do nhà máy tạo ra, dòng công suất phản kháng trong nhánh do người dùng chỉ định hoặc công suất phản kháng tổng hợp Sau đó là dòng công suất phản kháng trong nhánh do người dùng chỉ định cộng với số hạng thứ cấp, Xqd * Im 2, trong đó Im là cường độ dòng điện chạy trong nhánh đó
Hình 3.6 – Mô hình chức năng của Droop Bảng 3.2 – Tham số tiêu biểu của chức năng Droop
3.4.1.4 Mô hình điều khiển điện
Mô tả chi tiết hơn của bộ điều khiển điện được thể hiện trong Hình 3.7
Mô hình này là một đại diện đơn giản của hệ thống điều khiển bộ chuyển đổi
Hình 3.7 – Mô hình điều khiển điện Điều khiển volt/var giám sát công suất phản kháng của máy phát, Qgen và điện áp đầu cuối, Vterm, để tính toán các dòng điện phản kháng yêu cầu
IQcmd cần để đáp ứng Qcmd từ bộ điều khiển công suất phản kháng Tín hiệu
TÍNH TOÁN TỈ TRỌNG XÂM NHẬP CỦA CÁC NGUỒN PHÂN TÁN GÂY MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI ĐỊA PHƯƠNG
Phương pháp tìm tỉ trọng xâm nhập
4.1.1 Tính toán tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán Để đánh giá độ ổn định điện áp của lưới điện với mức độ xâm nhập nguồn phân tán, cần phải xác định được tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán cung cấp cho lưới Tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán được tính theo công thức sau [17]:
∑ 𝑃 𝐷𝐺 +∑ 𝑃 𝐶𝐺 100% (4.1) Trong đó: PDG là công suất các nguồn phân tán
PCG là công suất các nguồn tập trung
4.1.2 Giải thuật tìm tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán
Khảo sát tìm tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán dựa trên Quy mô lưới địa phương đã được đưa vào vận hành cập nhật đến cuối năm 2021 Trong đó, hệ thống được khảo sát dựa trên kịch bản phụ tải cực tiểu và các nguồn phân tán được huy động đảm bảo hệ thống không bị quá tải trong chế độ vận hành bình thường (N-0)
Khảo sát được thực hiện cho 2 dạng sự cố chủ yếu trong hệ thống điện bao gồm sự cố ngắn mạch và sự cố mất tổ máy Tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán được xác định khi sự cố đó gây mất ổn định Trong đề tài này, tỉ trọng xâm nhập được khảo sát đối với trường hợp gây mất ổn định điện áp
Lưu đồ thuật toán tìm tỉ trọng xâm nhập được thể hiện ở Hình 4.1:
Hình 4.1 – Lưu đồ giải thuật tìm tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán
4.1.3 Mô phỏng tính ổn định trên PSS/E
Phần mềm PSS/E được lựa chọn sử dụng để thực hiện mô phỏng có thể đáp ứng được các bộ thông số của các phần tử có trên mạng điện Phần mềm có độ tin cậy cao bởi các Công ty Tư vấn trong và ngoài nước đã sử dụng và kiểm chứng qua các công trình điện
Việc mô phỏng để quan sát tính ổn định của hệ thống điện trên phần mềm
Huy động nguồn theo kịch bản phụ tải cực tiểu
Huy động tối đa các nguồn phân tán (Đã được BSQH cập nhật đến cuối năm 2021) Ổn định
Tăng tỷ trọng xâm nhập thêm 5%
Nhập dữ liệu lưới điện tỉnh
Kiểm tra thông số lưới điện
Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu mô phỏng
− Tạo lập bộ dữ liệu xác lập cho kịch bản và trường hợp tính toán (file sav) cho lưới điện cần mô phỏng
− Tạo lập các file dyr chứa dữ liệu các phần tử động của nhà máy
− Tạo lập file dyr để tạo ra các kênh quan sát (điện áp, tần số, góc rotor, )
Bước 2: Thực hiện quá trình mô phỏng
− Tính toán trào lưu công suất theo kịch bản phụ tải cực tiểu, trường hợp vận hành bình thường (N-0)
− Chạy các file dữ liệu động và kênh quan sát (file dyr)
− Tính toán ổn định điện áp, mô phỏng được thực hiện cho 2 trường hợp:
• Ngắn mạch 3 pha và cắt đường dây bị sự cố
− Quá trình tính toán ổn định điện áp được thực hiện theo trình tự sau:
• Mô phỏng chế độ xác lập trước khi xảy ra sự cố (chạy chế độ xác lập từ 0 giây đến 5 giây) để đảm bảo ổn định ban đầu
• Mô phỏng sự cố đường dây: Ngắn mạch 3 pha trên đường dây truyền tải tại thời điểm t = 5s bằng cách thay điện dẫn tại điểm ngắn mạch bằng điện dẫn sự cố Thời gian tối đa loại trừ sự cố t0
= 80ms (đối với cấp điện áp 500kV), t0 = 100ms (đối với cấp điện áp 220kV) và t0 = 150ms (đối với cấp điện áp 110kV) (Tham khảo thông tư số 25/2016/TT-BCT Quy định hệ thống điện truyền tải và thông tư số 30/2019/TT-BCT Quy định hệ thống điện phân phối)
• Sự cố được loại bỏ sau khoảng thời gian t = t+t0 bằng cách cắt đường dây bị sự cố hoặc cô lập tổ máy bị sự cố
• Thời gian mô phỏng khoảng 30s để kiểm tra độ ổn định
Bước 3: Quan sát và ghi nhận kết quả tính ổn định
− Lựa chọn các nút cần quan sát ổn định điện áp lần lượt các cấp điện áp 500kV, 220kV, 110kV
− Xuất đồ thị và dữ liệu mô phỏng ra file xlsx Tiêu chí để đánh giá tính ổn định của điện áp là trong thời gian 5 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 xảy ra sự cố Ngoài ra, các trường hợp được xem là vi phạm về điện áp khi điện áp xác lập trở lại sau sự cố vượt ngoài khoảng được quy định theo Bảng 4.1 sau:
Bảng 4.1 – Giới hạn điện áp cho phép vận hành
Cấp điện áp Điện áp cho phép vận hành kV p.u
Quá trình thực hiện mô phỏng ổn định điện áp được trình bày chi tiết ở
Tính toán tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán cho lưới điện tỉnh Bình Thuận
4.2.1 Đặc điểm, quy mô của nguồn phát Đặc điểm nguồn phát điện gồm các nguồn cơ sở như thủy điện (bao gồm các nguồn thủy điện lớn và nhỏ), nhiệt điện và song song là các nguồn phân tán như điện gió và điện mặt trời Tính đến tháng 12/2021 (nguồn: www.cucthongke.vn), tỉnh Bình Thuận có 48 nhà máy điện đã thi công hoàn thành và đang hoạt động phát điện với tổng công suất đặt là 6.521 MW gồm
04 nhà máy nhiệt điện thuộc trung tâm điện lực Vĩnh Tân (4.284 MW-65,7%),
Quý (10MW-0,2%), 10 nhà máy điện gió (335MW-5,1%) và 26 nhà máy điện mặt trời (1.072 MW-16,4%)
Sơ đồ lưới điện khu vực tỉnh Bình Thuận được thể hiện ở Hình 4.2
Kịch bản khảo sát tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán được xây dựng dựa trên cơ cấu nguồn hiện hữu, trường hợp vận hành bình thường với chế độ phụ tải cực tiểu Hệ số công suất PF là 0.9 đối với các nguồn thủy điện, nhiệt điện và 1.0 đối với các nguồn năng lượng tái tạo
Bảng 4.2 – Kịch bản khảo sát tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán tỉnh Bình Thuận
STT Công suất nguồn điện gió
Tỉ trọng xâm nhập nguồn điện gió (%)
Công suất xâm nhập điện mặt trời (MW)
Tỉ trọng xâm nhập nguồn điện mặt trời (%)
Tổng tỉ trọng xâm nhập (%)
Tính toán tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán cho lưới điện tỉnh Bình Định
Đặc điểm nguồn phát điện gồm các nguồn có mức quán tính cao như thủy điện, nhiệt điện và các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời Tính đến tháng 12/2021 (nguồn: www.evnnpc.vn), tỉnh Bình Định có 09 nhà máy thủy điện với công suất 327,9 MW, 02 nhà máy nhiệt điện với công suất
700 MW, tổng công suất các nhà máy đưa vào vận hành phát điện là 415,5
MW và các nhà máy điện gió được đưa vào vận hành với tổng công suất là 77,4 MW Với các nguồn năng lượng tái tạo chiếm tỉ trọng khá cao (32,4%) là một con số phải được xem xét để phát triển nguồn điện tỉnh Bình Định Đồng thời để đáp ứng được sự phát triển nguồn phân tán nói chung và nguồn năng lượng tái tạo nói riêng, phải có sự phát triển, quy hoạch lưới điện đồng bộ
Sơ đồ lưới điện khu vực tỉnh Bình Định được thể hiện ở Hình 4.3
Kịch bản khảo sát tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán được xây dựng dựa trên cơ cấu nguồn hiện hữu, trường hợp vận hành bình thường với chế độ phụ tải cực tiểu Hệ số công suất PF là 0.9 đối với các nguồn thủy điện, nhiệt điện và 1.0 đối với các nguồn năng lượng tái tạo
Bảng 4.3 – Kịch bản khảo sát tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán tỉnh Bình Định
STT Công suất nguồn điện gió
Tỉ trọng xâm nhập nguồn điện gió (%)
Công suất xâm nhập điện mặt trời (MW)
Tỉ trọng xâm nhập nguồn điện mặt trời (%)
Tổng tỉ trọng xâm nhập (%)
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Kết quả mô phỏng tính toán tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán tỉnh Bình Thuận
Bảng 5.1 – Kết quả mô phỏng tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán của tỉnh Bình Thuận
STT Tổng công suất nguồn huy động
Công suất nguồn điện gió (MW)
Tỉ trọng xâm nhập nguồn điện gió (%)
Công suất xâm nhập điện mặt trời (MW)
Tỉ trọng xâm nhập nguồn điện mặt trời (%)
Tổng công suất xâm nhập (MW)
Tổng tỉ trọng xâm nhập (%)
Khảo sát ổn định điện áp
Tính toán ổn định điện áp được thể hiện chi tiết tại Phụ lục II Dưới đây là một số đồ thị về ổn định điện áp dưới các mức xâm nhập khác nhau của nguồn phân tán.
Hình 5.1 – Điện áp tại các nút 500kV khi có sự cố tại nút Tân Uyên 500kV trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 35%
Hình 5.2 – Điện áp tại các nút 500kV khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên ĐD 500kV Thuận Nam – Vĩnh Tân trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 35%
Hình 5.3 – Điện áp tại các nút 500kV khi có sự cố tại nút Sông Mây
500kV trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 38%
Hình 5.4 – Điện áp tại các nút 500kV khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên ĐD 500kV Vĩnh Tân – Sông Mây trong trường hợp các nguồn phân tán
Hình 5.5 – Điện áp tại các nút 500kV khi có sự cố tại nút Phan Thiết
220kV trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 40%
Hình 5.6 – Điện áp tại các nút 220kV khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên ĐD 220kV Hàm Thuận – Xuân Lộc trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 40%
Nhận xét: Đối với lưới hiện hữu của tỉnh Bình Thuận thì mức độ xâm nhập 38% của nguồn phân tán đã gây mất ổn định điện áp Điện áp dao động kể cả khi chưa xảy ra sự cố Ngoài ra, đối với sự cố ngắn mạch trên đường dây đã xảy ra hiện tượng sụt giảm điện áp tại hai đầu thanh cái sau khi cắt sự cố trên đường dây 500kV Vĩnh Tân – Sông Mây (Hình 5.4) Mức dao động điện áp càng nghiêm trọng hơn với mức độ xâm nhập nguồn phân tán 40% Khi đó, mức điện áp trong quá trình quá độ là 8÷10 p.u (Hình 5.5).
Kết quả mô phỏng tính toán tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán tỉnh Bình Định
Bảng 5.2 – Kết quả mô phỏng tỉ trọng xâm nhập nguồn phân tán của tỉnh Bình Định
STT Tổng công suất nguồn
Công suất nguồn điện gió (MW)
Tỉ trọng xâm nhập nguồn điện gió (%)
Công suất xâm nhập điện mặt trời (MW)
Tỉ trọng xâm nhập nguồn điện mặt trời (%)
Tổng công suất xâm nhập (MW)
Tổng tỉ trọng xâm nhập (%)
Khảo sát ổn định điện áp
Tính toán ổn định điện áp được thể hiện chi tiết tại Phụ lục II Dưới đây là một số đồ thị về ổn định điện áp dưới các mức xâm nhập khác nhau của nguồn phân tán
Hình 5.7 – Điện áp tại các nút 220kV khi có sự cố tại nút Pleiku 220kV trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 30%
Hình 5.8 – Điện áp tại các nút 220kV khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên ĐD 220kV Phước An – Quy Nhơn trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 30%
Hình 5.9 – Điện áp tại các nút 220kV khi có sự cố tại nút TĐ Vĩnh Sơn 1 trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 34%
Hình 5.10 – Điện áp tại các nút 220kV khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên ĐD 110kV Nhơn Hội – Đống Đa trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 34%
Hình 5.11 – Điện áp tại các nút 220kV khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên ĐD 220kV Quy Nhơn – Tuy Hòa trong trường hợp các nguồn phân tán xâm nhập 35%
Hình 5.12 – Điện áp tại các nút 220kV khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên ĐD 220kV Phước An – Quy Nhơn trong trường hợp các nguồn phân tán
Nhận xét: Đối với lưới hiện hữu của tỉnh Bình Định thì mức độ xâm nhập 35% của nguồn phân tán đã gây mất ổn định điện áp Điện áp dao động lớn và không thể hồi phục sau khi cắt đường dây bị sự cố ra khỏi lưới (Hình
5.11 và Hình 5.12) Cũng tương tự như mô phỏng với lưới điện Bình Thuận, đối với sự cố ngắn mạch trên đường dây đã xảy ra hiện tượng sụt giảm điện áp tại hai đầu thanh cái sau khi cắt sự cố trên đường dây 220kV Phước An – Quy Nhơn (Hình 5.8) Ở mức xâm nhập 34%, quan sát thấy được điện áp có những dao động nhỏ trong thời gian ngắn (khoảng 2÷3s) sau khi sự cố đã được tách khỏi lưới (Hình 5.10)