Hệ thống cung cấp điện độc lập từ các nguồn phân tán cho các vùng không có lưới điện Quốc gia đang được quan tâm. Trong bài viết này, nhóm tác giả giới thiệu một số vấn đề cần giải quyết trong quá trình vận hành hệ thống lai ghép 3 Turbine gió và 6 tổ máy phát Diesel trên đảo Phú Quý. Từ đó, nhóm tác giả đề xuất giải pháp nhằm nâng cao khả năng huy động công suất của các Turbine gió, đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện trên đảo và giảm giá thành sản xuất điện.
PETROVIETNAM GIẢI PHÁP HOẠT ĐỘNG HỖN HỢP GIÓ - DIESEL ĐẢO PHÚ QUÝ ThS Võ Hồng Thái1, TS Nguyễn Đức Huy2, TS Trần Nam Trung3 Viện Dầu khí Việt Nam Đại học Bách khoa Hà Nội Tập đoàn Điện lực Việt Nam Tóm tắt Hệ thống cung cấp điện độc lập từ nguồn phân tán cho vùng khơng có lưới điện Quốc gia quan tâm Trong báo này, nhóm tác giả giới thiệu số vấn đề cần giải trình vận hành hệ thống lai ghép turbine gió tổ máy phát diesel đảo Phú Quý Từ đó, nhóm tác giả đề xuất giải pháp nhằm nâng cao khả huy động công suất turbine gió, đảm bảo ổn định hệ thống điện đảo giảm giá thành sản xuất điện Từ khóa: Nguồn phân tán, turbine gió, hệ thống lai ghép, lưới cô lập, mức độ thâm nhập, chất lượng điện Giới thiệu 1.1 Thực trạng hệ thống điện gió - diesel đảo Phú Quý Dự án Phong điện Phú Quý Tổng công ty Điện lực Dầu khí Việt Nam/Tập đồn Dầu khí Việt Nam đầu tư xây dựng đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, với tổng công suất 6MW, cao tổng công suất nhà máy điện diesel (3MW) Công suất turbine gió lớn (2MW/turbine) Máy phát điện gió loại DFIG phải có máy phát diesel phát Nếu máy phát điện gió loại đồng kích thích vĩnh cửu phát độc lập, khơng phụ thuộc nhiều vào diesel Trong đó, máy phát diesel đảo Phú Quý vận hành 10 năm, thời gian đáp ứng yêu cầu hệ thống chậm Công suất phát bị hạn chế, máy phát diesel phát điện khoảng 165 - 420kW để phát đồng thời cột turbine gió phụ tải thấp (mặc turbine gió phát điện vận tốc gió thấp từ - 6m/s) Thực tế qua 10 tháng vận hành thương mại tốc độ gió khác nhiều thơng số đo trước lập dự án Sự khác biệt chưa khảo sát triệt để gió, thời gian khảo sát lâu (sau gần 10 năm khảo sát), thay đổi khí hậu dẫn đến thay đổi tốc độ, hướng gió ngày (có ngày vào mùa gió Bắc, gió giật mạnh, dao động lớn) Điều ảnh hưởng đến việc nâng cao tỷ lệ phát turbine gió Trong trường hợp này, vận hành viên phải đặt công suất dự phòng nóng diesel cao, diesel vận hành non tải Bên cạnh dự đốn tăng trưởng phụ tải thuyết minh dự án đầu tư Nhà máy Phong điện Phú Quý chưa xác (thực tế phụ tải thấp hơn) Thiết Phụ tải đảo lớn khoảng 1,9MW, thấp nhiều so với nguồn phát (9MW) [1] Thừa công suất tác dụng (P) thiếu công suất phản kháng (Q) Đặc biệt, tỷ lệ thâm nhập P turbine gió tăng cao thiếu Q trầm trọng, hệ số cosφ trạm diesel có xuống đến 0,6 Tỷ lệ phát điện gió - diesel thường 50/50 Trong trường hợp phụ tải nhỏ 1.100kW tốc độ gió lớn 7,2m/s tỷ lệ gió - diesel cho phép đạt đến tỷ lệ 70/30 Trong trường hợp gió mạnh phụ tải thấp, 7,2 m/s < vận tốc gió < 17,8 m/s phụ tải < 665kW 17,8 m/s < vận tốc gió < 25 m/s phụ tải < 965kW khơng thể vận hành turbine gió [2] Thời gian phát điện đảo Phú Quý không liên tục, 16 ngày (từ 30 phút đến 23 30 phút) Hiện có cột turbine gió phát điện kết hợp với máy phát diesel Trong trường hợp gió thấp phụ tải cao phát cột turbine gió Rất khó Hình Hệ thống hỗn hợp gió - diesel đảo Phú Q DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 55 CÔNG NGHIỆP ĐIỆN bị turbine chưa thực phát công suất phản kháng Q, chưa có giải pháp lắp đặt tụ bù hợp lý, cosφ diesel thấp Giá điện đảo cao Các hệ thống điện có sử dụng lượng gió phân loại theo mức độ thâm nhập điện gió, định nghĩa sau [5]: Đối với điều kiện thời tiết khắc nghiệt đảo, vào mùa gió Bắc, Cơng ty Điện lực Phú Q thường xun cắt điện để rửa sứ, FCO để chống muối bám, chống phóng điện Do đó, cơng tác vận hành hệ thống hỗn hợp gió diesel gặp nhiều khó khăn, turbine cần đảm bảo vận hành ổn định Trên trục nối, Phong điện Phú Quý sử dụng FCO để đóng cắt phân đoạn đường dây 22kV, cần cố nhỏ dẫn đến đứt chì FCO gây rã lưới… Theo cách phân loại nói trên, National Renewable Energy Labolatory (NREL) định nghĩa hệ thống hỗn hợp diesel gió [5]: 1.2 Hệ thống điện gió - diesel lớn điển hình Cơng suất phát điện gió Cơng suất u cầu phụ tải Mức độ thâm nhập trung bình = Sản lượng phát điện gió (kWh) Sản lượng tiêu thụ phụ tải Mức độ thâm nhập tức thời = Turbine - Hệ thống thâm nhập thấp (mức độ thâm nhập tức thời < 50%, mức độ thâm nhập trung bình < 20%): Với hệ thống này, máy phát diesel phải vận hành liên tục (8.760 giờ), lượng sinh từ turbine gió cấp trực tiếp cho phụ tải Với mức độ thâm nhập thấp, không cần thiết phải có hệ thống điều khiển hỗn hợp - Hệ thống thâm nhập vừa (mức độ thâm nhập tức thời từ 50 - 100%, mức độ thâm nhập trung bình từ 20 - 50%): Với hệ thống này, máy phát diesel phải vận hành liên tục Khi tốc độ gió cao, cơng suất phát diesel giảm, cần có thiết bị phụ trợ để đảm bảo mức tải tối thiểu cho diesel, turbine gió phải giảm cơng suất Với mức độ thâm nhập trung bình, cần có hệ thống điều khiển hỗn hợp với mức độ phức tạp vừa phải - Hệ thống thâm nhập cao (mức độ thâm nhập tức thời từ 100 - 400%, mức độ thâm nhập trung bình 50 - 150%) Với mức độ thâm nhập này, tổ máy diesel dừng tốc độ gió đủ lớn nên cần có thiết bị phụ trợ để điều khiển điện áp tần số, đồng thời cần hệ thống điều khiển hỗn hợp phức tạp 1.3 Các loại máy phát điện sử dụng turbine gió Hình Sơ đồ hệ thống điện gió - diesel lớn điển hình Hiện có ngun lý sử dụng máy phát điện turbine gió nối lưới chủ yếu (Hình 3) [2]: - Máy phát đồng kích thích vĩnh cửu (Permanent magnet excited synchronous generator - PMSG): Loại máy phát điều khiển hòa với lưới nhờ thiết bị biến đổi điện tử công suất nằm xen stator lưới Thiết bị gồm phần chính: nghịch lưu phía lưới (frontend converter) nghịch lưu phía máy phát (generatorside converter) Dòng lượng khai thác từ gió lấy qua turbine tới stator, sau chảy qua thiết bị biến đổi lên lưới Hình So sánh DFIG PMSM/SCIG 56 DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 - Máy phát khơng đồng rotor lồng sóc (Squirrel-cage induction generator - SCIG): Tương tự máy phát đồng kích thích vĩnh cửu, loại máy phát PETROVIETNAM Bảng So sánh loại máy phát điện gió [2] TT Giá thành toàn hệ thống Khả tận dụng lượng gió Điều khiển máy phát Sử dụng hòa lưới quốc gia Sử dụng đảo Máy phát điện gió loại SCIG, PMSG (nối lưới gián tiếp) Khá đắt Thiết bị điện tử công suất nằm xen stator lưới nên có cơng suất cơng suất máy phát Tồn dải tốc độ gió Thiết bị điện tử công suất nằm xen stator lưới nên tốc độ đồng không lưới định Khá đơn giản Thiết bị điện tử công suất nằm xen stator lưới nên việc điều khiển máy phát phụ thuộc lưới Dễ đáp ứng yêu cầu ride-through Cần cân nhắc Điều khiển đơn giản, khai thác gió tối đa giá thành cao Rất nên Điều khiển đơn giản nên dễ bảo đảm ổn định ngắn hạn dài hạn Đây ưu điểm mang tính định vận hành với lưới cơng suất nhỏ Máy phát điện gió loại DFIG (nối lưới trực tiếp) Tương đối thấp Thiết bị điện tử công suất nằm phía rotor (xen rotor lưới) nên có cơng suất cỡ 1/3 cơng suất máy phát Dải tốc độ gió bị giới hạn Stator nối trực tiếp với lưới nên tốc độ đồng tần số lưới định DFIG hoạt động phạm vi ±33% xung quanh tốc độ đồng Khá phức tạp Stator nối trực tiếp với lưới nên việc điều khiển máy phát phụ thuộc lưới, đặc biệt phía lưới có cố Khó đáp ứng yêu cầu ride-through Rất nên Điều khiển khơng q khó (do bám lưới cứng) mà giá thành thấp Khơng nên Điều khiển khó (vì khơng có lưới cứng để bám) nên khó bảo đảm ổn định ngắn hạn dài hạn Đặc biệt khó khăn phải vận hành với lưới công suất nhỏ Đánh giá Giá thành toàn hệ thống máy phát điện gió loại DFIG rẻ so với loại SCIG & PMSG Khả tận dụng lượng gió máy phát điện gió loại DFIG so với loại SCIG & PMSG Khả điều khiển máy phát loại DFIG phức tạp loại SCIG & PMSG khó đáp ứng yêu cầu ride-through Nên sử dụng loại DFIG để hòa lưới quốc gia Nên sử dụng loại SCIG PMSG để sử dụng hòa lưới độc lập (ngoài đảo) Bảng Sự khác biệt có khơng nối lưới quốc gia TT Hòa lưới quốc gia Lưới quốc gia lưới cứng (công suất vô lớn, điện áp tần số ổn định) Công suất phát P không phụ thuộc mức tiêu thụ Không cần phát Q Cần khả ride-through Không cần hệ thống phụ trợ Cần SCADA (điều khiển giám sát) để điều độ lưới Khơng hòa lưới quốc gia Lưới ốc đảo lưới mềm (công suất nhỏ - nhỏ, điện áp tần số ổn định) Công suất phát P phụ thuộc mức tiêu thụ (phát nhiều có nguy phải đốt bỏ dumpload) Bắt buộc phải phát Q Bắt buộc phải có khả ride-through Cần phải có hệ thống phụ trợ (diesel tải thấp, tải giả, kho điện ) Bắt buộc phải có SCADA để điều độ lưới khơng đồng rotor lồng sóc điều khiển hòa với lưới nhờ thiết bị biến đổi điện tử công suất nằm xen stator lưới Hệ thống hỗn hợp gió - diesel giải pháp kỹ thuật - Máy phát không đồng nguồn kép (Doublyfed induction generator - DFIG): Dòng lượng khai thác từ gió lấy qua turbine tới stator, sau chảy trực tiếp lên lưới Việc điều khiển dòng lượng thực gián tiếp nhờ thiết bị biến đổi nằm phía mạch điện rotor 3.1.1 Điều khiển tần số So sánh đánh giá lý thuyết với thực tế Nhóm tác giả so sánh đánh giá loại máy phát điện gió lý thuyết với thực tế Bảng 1, 2, 3.1 Các yêu cầu kỹ thuật hệ thống hỗn hợp gió - diesel Khi hệ thống chịu tác động đó, việc trì ổn định tần số thực qua bước sau: - Tại thời điểm điều tốc chưa tác động, biến động lưới phản ánh thay đổi đột ngột moment điện tác động lên trục máy phát thay đổi tốc độ quay rotor phụ thuộc vào quán tính rotor hệ thống động [3] - Sau thời gian định (0,5 - giây), điều DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 57 CÔNG NGHIỆP ĐIỆN Bảng So sánh, đánh giá dự án phát điện độc lập TT Cấu hình Nguyên lý nối lưới Hệ thống phụ trợ sử dụng Đánh giá I Lý thuyết Turbine gió + diesel + hệ thống lưu trữ lượng + tải giả Nên sử dụng máy phát điện loại SCIG PMSG nối lưới gián tiếp Hệ thống lưu trữ lượng tải giả Hệ thống ổn định đạt mức thâm nhập cao (mức độ thâm nhập tức thời từ 100 - 400%, mức độ thâm nhập trung bình 50 - 150%) II Thực tế Phú Quý Turbine gió (3 x 2MW) + diesel (6 x 0,5MW) DFIG, nối lưới trực tiếp Khơng có Bạch Long Vĩ Turbine gió (800kW) + máy phát diesel (2 x 414kVA) SCIG nối lưới gián tiếp Khơng có Đắc Hà Turbine gió (1,8kW) + pin mặt trời (6,72kW) + ắc quy (1200Ah) + tải giả SCIG nối lưới gián tiếp Ắc quy tải giả PMSG nối lưới gián tiếp Bánh đà SCIG nối lưới gián tiếp Diesel tải thấp bánh đà Ross Island Coral Bay Turbine gió (3 x 330kW) + diesel (6 x 500kW) + Bánh đà (500kW) Turbine gió (3 x 275kW) + diesel tải thấp (7 x 320kW) + Bánh đà (500kW) Hoạt động chưa thực ổn định, tỷ lệ thâm nhập điện gió chưa cao, chưa khai thác hết turbine gió Vận hành hệ thống hỗn hợp gió - diesel phức tạp Khơng đảm bảo công tác vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa dẫn đến ngừng hoạt động Hệ thống hỗn hợp pin mặt trời, turbine gió kết hợp với tải giả, ắc quy với chuyển đổi hệ thống điều khiển quy mô công suất nhỏ đảm bảo cung cấp điện ổn định, hiệu Tỷ lệ thâm nhập điện gió đỉnh đạt tới 65% Bánh đà lưu trữ cung cấp cơng suất 500kW vòng 30 giây để trì tần số hệ thống gió thay đổi đột ngột Tỷ lệ thâm nhập điện gió cao, tới 93% Việc kết hợp sử dụng bánh đà máy phát diesel tải thấp với turbine gió làm cho hệ thống phát điện ổn định tin cậy Tần số (Hz) tốc cảm nhận thay đổi tốc độ điều chỉnh đầu nhằm đưa tốc độ giá trị định mức Trong lĩnh vực vận hành hệ thống điện, gọi hệ thống điều tần cấp I Vì điều tốc máy diesel thiết kế để vận hành độc lập, tác động để đưa tần số giá trị định mức (điều tần cấp II) Thời gian (s) Đáp ứng quán tính Đáp ứng điều tốc Đáp ứng HTĐK hỗn hợp Hình Đáp ứng tần số hệ thống gió - diesel - Sau thời gian 10 - 15 giây tiếp theo, hệ thống điều khiển hỗn hợp tác động phân chia lại cơng suất gió - diesel theo phương thức định trước Đây gọi mức điều tần cấp III 3.1.2 Điều khiển điện áp công suất phản kháng Các máy phát diesel nhìn chung có khả phát cơng suất phản kháng tương đối tốt, với hệ số công suất định mức mức 0,8 - 0,85 Khi hệ số cosφ thấp 0,8 (chế độ phát Q), công suất máy diesel bị hạn chế thêm phát nóng rotor Hình Đặc tính cơng suất phát máy phát diesel Cummin 58 DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 Qua báo cáo chạy tin cậy, hệ số công suất máy phát điện gió đảo Phú Q ln đặt 0,98 - Điều có nghĩa, chế độ vận hành bình thường, tổ máy điện gió không tham gia vào cung cấp công suất phản PETROVIETNAM kháng cho lưới điện Mặc dù theo đặc tính cơng suất phát máy phát V80 (Hình 6) V80 phát cơng suất phản kháng 3.1.3 Khả trụ lưới có sụt điện áp Khả trụ lưới có sụt điện áp cho phép máy phát điện gió trì tình trạng nối lưới, đồng thời cung cấp công suất phản kháng cho lưới nhằm góp phần khơi phục điện áp Trong tổ máy phát Vestas V80, chức trụ lưới có sụt điện áp bảo vệ chống áp mạch DC thực khối AGO2 [4] Hình Đặc tính cơng suất phát máy phát V80 [4] 3.1.4 Dự phòng nóng Dự phòng nóng (hay dự trữ quay - spinning reserve) thay đổi công suất mà máy phát điện vận hành đáp ứng có thay đổi tải Để đảm bảo dự phòng nóng, số máy phát hệ thống không phép vận hành mức đầy tải [9] 3.2 Kết tính tốn chế độ xác lập lưới điện đảo Phú Quý Các tính tốn trào lưu cơng suất thực phần mềm PSS/ADEPT Đây phần mềm sử dụng rộng rãi để mô lưới điện phân phối với pha không cân Kết mô trào lưu cơng suất tháng 1/2012 khơng có q tải đường dây, máy biến áp mang tải cao máy biến áp Tam Thanh (78%), tổn thất lưới 1,2% Kết mô khớp với kết đo Điện lực Phú Quý Hình Quy định khả trụ lưới có sụt điện áp Đức Mức độ thâm nhập tối đa, max = 0,82981 Số lượng máy diesel turbine Kết mô cố phía đầu xuất tuyến 471 tuyến 472 tháng 1/2012 tổn thất lưới tăng lên 2,58%, điện áp cuối đường dây giảm xuống 21,5kV, giá trị cosφ máy phát diesel không đổi (0,92) Giờ (h) Kết mơ đóng thử nghiệm turbine gió T3 (tháng 12/2011) (mức độ thâm nhập điện gió 40%) tổn thất giảm 1,11%, cosφ nhà máy diesel giảm xuống 0,82, trục 471 khơng có thay đổi so với vận hành khơng có điện gió Kết mơ thử nghiệm turbine gió T3 (tháng 12/2011) (mức độ thâm nhập điện gió 80%) chênh lệch điện áp đầu cực điện gió điểm cuối xuất tuyến 471 (Ngũ Phụng) 0,3kV Tổn thất tăng lên 1,5% Cosφ nhà máy diesel giảm xuống 0,46 Hình Chế độ vận hành không khống chế mức độ thâm nhập Mức độ thâm nhập tối đa, max = 0,69613 Số lượng máy diesel turbine Kết mô năm 2013, mạch hở mạch kín, mức độ thâm nhập điện gió 80% khơng có đường dây hay máy biến áp mức tải Giờ (h) Hình Chế độ vận hành đề xuất DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 59 CÔNG NGHIỆP ĐIỆN 3.3 Xác định mức thâm nhập tối đa dựa quy trình vận hành Các ràng buộc kỹ thuật: Tần số Hz Hình 10 Kịch mơ để xem xét tính ổn định lưới điện Phú Quý Cân công suất tác dụng: Tổng công suất phát diesel gió cơng suất tải tiêu thụ Cân cơng suất phản kháng Khi khơng có thiết bị phụ trợ, máy phát diesel phát công suất phản kháng lên lưới Khi phụ tải 1.100kW, tỷ lệ phát điện giữ cố định 50/50 Khi phụ tải 1.100kW, điện gió phát cố định 550kW Cho phép mức độ thâm nhập tăng đến tối đa 70% Công suất tác dụng diesel Pdiesel ≥ 165 kW Công suất biểu kiến tổ máy khơng q 600kVA Dự phòng hệ thống diesel, vận tốc gió > 7,2m/s tính sau: Thời gian (s) Số máy diesel vận hành x Pmaxdiesel - tổng công suất phát diesel ≥ 150kW Công suất kW Ở chế độ vận hành khơng khống chế mức độ thâm nhập không đảm bảo độ tin cậy tượng sụt giảm qn tính thiếu hụt dự phòng nóng 3.4 Chế độ vận hành đề xuất Thời gian (s) Tần số Hz Hình 11 Kết mơ ngắn mạch phát turbine gió, diesel, mức độ thâm nhập 70% Công suất kW Thời gian (s) Mức độ thâm nhập tối đa đạt dao động từ 0,5 0,69 ngày Mức độ thâm nhập đạt 60% hầu hết Trên nguyên tắc diesel đảm nhiệm tồn dự phòng nóng, mức độ thâm nhập tối đa đạt 70% Tuy nhiên, thực tế nhiều mức phụ tải, không đạt mức thâm nhập tối đa máy diesel tham gia vận hành phát thấp công suất tối thiểu (165kW) Để tăng mức độ thâm nhập, đặt mức dự phòng nóng âm, cách cho phép sa thải số phụ tải điện gió bị cắt 3.5 Kịch kết mơ Hình 12 Kết mơ với máy diesel, thâm nhập 85% Qua kết mơ thấy hệ thống đảm bảo ổn định với kịch nghiên cứu Hệ thống vận hành ổn định mức thâm Hình 13 So sánh ổn định tần số kịch thâm nhập 70% Hình 14 Kết mơ ổn định có khơng có hệ thống lưu trữ lượng (ESS) Thời gian (s) 60 DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 PETROVIETNAM nhập 70% Tuy nhiên, để đảm bảo hệ thống vận hành thực ổn định mức độ thâm nhập cần kiểm tra lại cài đặt rơle tần số đảm bảo quy tắc dự phòng nóng So sánh kết thấy, với máy diesel vận hành, độ sụt tần số điện gió bị cắt cao hẳn so với có máy diesel (hiện tượng sụt giảm quán tính) Nếu giữ nguyên máy diesel thay đổi mức thâm nhập, mức sụt tần số điện gió bị cắt có xu hướng tăng nhẹ theo mức thâm nhập thời điểm trước turbine gió bị cắt Do có máy diesel mức thâm nhập 70 tăng mức thâm nhập điện gió lên khoảng 80% thấy chênh lệch độ sụt tần số lớn so với trường hợp giữ mức thâm nhập 70% máy diesel vận hành Độ sụt tần số chênh 1Hz Bảng So sánh kinh tế, kỹ thuật giải pháp phụ trợ [6, 7, 8, 10] So sánh Cân TT Thiết bị P phụ trợ Phát Q Ổn định tần số Ổn định điện áp Tăng độ thâm nhập Ứng dụng Dự án áp dụng Tăng 20% đến 25% thay diesel thông thường Rottnest Tăng thâm Island, nhập tăng Hopetoun, ổn định Bremer Bay, Denham 1.200USD/kW 70.000 100.000USD/ 200 - 500kW Diesel tải thấp Phát P từ 5% Pđịnh mức Tải giả Tiêu thụ P Không Tương đối tốt Không Không Tăng ổn định Bánh đà Bù đắp P tức thời Không Rất tốt Không Không Tăng ổn định Ross Island Siêu tụ Bù động P Bù động Q Tốt Tốt Không Tăng ổn định Ắc quy Cân P Phát Q Tốt Tốt Pin nhiên liệu Cân P Phát Q Tốt Tốt Thủy điện tích Cân P Phát Q Tốt Tốt Tăng thâm nhập thời gian lưu trữ dài Tăng thâm nhập thời gian lưu trữ dài Tăng thâm nhập thời gian lưu trữ dài Tăng thâm nhập tăng King Island ổn định Tăng thâm nhập tăng ổn định Tăng thâm nhập tăng ổn định Tụ bù Không Phát Q Không Tương đối tốt Không Bù Q Tải giả + Tụ bù Tiêu thụ P để cân P Phát Q Tốt Tương đối tốt Không 10 Tải giả + ắc quy Cân P Phát Q Rất tốt Tốt Tăng thâm nhập thời gian lưu trữ dài 11 Tải giả + siêu tụ Cân P Bù động Q Rất tốt Tốt Không 12 Tải giả + diesel tải thấp Cân P Tốt Tăng 20% đến 25% thay diesel thông thường 13 Bánh đà + diesel tải thấp Cân P Phát Q Tốt Rất tốt Tăng thâm nhập 14 Siêu tụ + diesel tải thấp Cân P Phát Q Rất tốt Rất tốt Tăng thâm nhập Phát Q Tốt Tốt Phát Q Rất tốt Bù Q tăng ổn định Tăng thâm nhập tăng ổn định Tăng ổn định 300.000 Euro/1MW 50.000 USD/600KVA Wales Alaska 893.000 Euro/800kW diesel + 1.000kWe tải giả Tăng thâm nhập tăng ổn định Tăng thâm nhập tăng ổn định Tăng thâm nhập tăng ổn định Giá tham khảo Coral Bay DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 61 CÔNG NGHIỆP ĐIỆN Eprice = 8cent/kWh Eprice = 10cent/kWh Eprice = 12cent/kWh Eprice = 14cent/kWh 1800 1400 NPV (x 106 USD) Công suất máy LLD (kW) 1600 Eprice = 8cent/kWh Eprice = 10cent/kWh Eprice = 12cent/kWh Eprice = 14cent/kWh 1200 1000 800 600 400 200 1.05 1.07 1.09 1.11 1.13 1.15 Hệ số tăng trưởng 1.07 1.09 1.11 1.13 1.15 Hệ số tăng trưởng Hình 15 Kết tính tốn với diesel đảm nhiệm 100% dự phòng nóng, thời gian xét năm máy diesel tải thấp máy diesel hữu (gồm ràng buộc công suất lớn nhất, cơng suất tối thiểu); mức độ dự phòng nóng; mức độ thâm nhập tối đa cho phép điện gió (tối đa 85% có máy phát diesel tải thấp vận hành) Bài tốn tối ưu hóa tính tốn với giá bán điện khác với giả thiết hệ số tăng Hình 16 Mức độ thâm nhập tối đa điện gió, với thời gian xét năm, trưởng tải khác Hình diesel đảm nhận 100% dự phòng nóng 15 thể mức cơng suất tối ưu cho máy phát diesel tải thấp, ứng với giá bán Các mô thực với giả thiết tốc độ gió điện khác mức độ tăng trưởng phụ tải khác nhau, lớn Vì vậy, turbine gió chế độ tải cực đại, với thời gian xét dự án năm Diesel đảm nhận turbine lại phát ~800kW máy diesel 100% dự phòng nóng phát ~1000kW giới hạn làm việc Nếu tốc độ gió thấp bị turbine gió dẫn đến Từ liệu trên, kết tính tốn cho thấy nên tượng rã lưới máy diesel cung cấp đủ công đầu tư thêm diesel tải thấp mức độ tối thiểu (300kW) suất Như vậy, với hệ thống mức thâm nhập giá bán điện tăng lên 14UScent/kWh, việc đầu tư 70% không đảm bảo vận hành ổn định, an toàn tin cậy diesel tải thấp có hiệu Mức độ thâm nhập tối đa Phân tích kinh tế, kỹ thuật giải pháp phụ trợ cho dự án Phong điện Phú Quý 4.1 So sánh kinh tế, kỹ thuật giải pháp phụ trợ 4.2 Phân tích kinh tế giải pháp sử dụng diesel tải thấp Các ràng buộc kỹ thuật bao gồm: cân cơng suất tác dụng phản kháng; đặc tính cơng suất phát 62 DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 điện gió ứng với kết tính tốn trình bày Hình 16 Tùy theo kịch (mức độ tăng trưởng tải giá điện, mức độ thâm nhập tối đa đạt dao động từ 74 - 85%) Kết tính tốn cho thấy mức thâm nhập tối đa đạt 85%, với trường hợp xét thời gian đầu tư năm PETROVIETNAM 4.3 Tính tốn đầu tư thiết bị phụ trợ Nhóm tác giả sử dụng thơng số đầu vào để tính tốn: giá bán điện 7,8UScent/kWh; phụ tải trung bình/ngày theo số liệu thực tế đảo Phú Quý 1.400kW/ngày; số ngày phát điện 350 ngày/năm Thâm nhập điện gió phát tỷ lệ thơng thường 50/50 70/30 gió thấp, phụ tải cao: 35% Thâm nhập điện gió phát tỷ lệ thông thường 70/30 theo thực tế nội suy: 40% Thâm nhập điện gió phát tỷ lệ thông thường 85/15 theo thực tế nội suy: 45% Suất đầu tư máy phát diesel tải thấp 1.200USD/ kW Chi phí chạy máy phát diesel tải thấp: 0,25USD/kW Chi phí đầu tư hệ thống lưu trữ lượng 1.000kW siêu tụ: 300.000 Euro Chi phí đầu tư 800kW diesel tải thấp 1.000kWe tải giả mà Danvest chào: 893.000 Euro Kết tính tốn đầu tư thiết bị phụ trợ thời gian phát điện đảo Phú Quý 16 giờ/ngày - Khi nâng tỷ lệ phát điện từ 50/50 lên thành 70/30, doanh thu tăng thêm 642 triệu đồng/năm - Chỉ nên đầu tư 300kW diesel tải thấp giá bán điện đạt 12UScent/kWh phụ tải tăng 20% giá bán điện 14UScent/kWh - Chỉ nên đầu tư 1000kW siêu tụ giá bán điện đạt 14UScent/kWh phụ tải tăng 15% - Chỉ nên đầu tư 800kW diesel tải thấp 1.000kWe tải giả giá bán điện 12UScent/kWh phụ tải tăng 20% giá bán điện đạt 14UScent/kWh phụ tải tăng 5% Kết tính tốn đầu tư thiết bị phụ trợ thời gian phát điện đảo Phú Quý 24giờ/ngày - Khi nâng tỷ lệ phát điện từ 50/50 lên thành 70/30 thu thêm 858 triệu đồng năm - Chỉ nên đầu tư 300kW diesel tải thấp giá bán điện đạt 10UScent/kWh phụ tải tăng 20% giá bán điện đạt 14UScent/kWh phụ tải tăng 15% - Chỉ nên đầu tư 1.000kW siêu tụ phụ tải tăng 20% giá bán điện 10UScent/kWh phụ tải tăng 15% giá bán điện đạt 12UScent/kWh - Chỉ nên đầu tư 800kW diesel tải thấp 1.000kWe tải giả giá bán điện đạt 10UScent/kWh phụ tải tăng 15% giá bán điện đạt 12UScent/kWh phụ tải tăng 10% giá bán điện đạt 14UScent/kWh Kết luận - Đối với dự án phong điện phát điện độc lập, không nối lưới Quốc gia cần lưu ý: lưới ốc đảo lưới mềm (công suất nhỏ - nhỏ, điện áp tần số ổn định); công suất phát (P) phụ thuộc mức tiêu thụ (phát nhiều có nguy phải đốt bỏ dumpload); bắt buộc phải phát Q; bắt buộc phải có khả ride-through Đặc biệt, nên lựa chọn máy phát điện gió loại máy phát khơng đồng rotor lồng sóc (SCIG) máy phát đồng kích thích vĩnh cửu (PMSG) để điều khiển đơn giản, bảo đảm ổn định ngắn hạn dài hạn Đây ưu điểm mang tính định vận hành với lưới cơng suất nhỏ Cần phải có hệ thống phụ trợ để tăng mức độ thâm nhập điện gió ổn định hệ thống điện độc lập; bắt buộc phải có hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) để điều độ lưới - Đối với dự án Phong điện Phú Quý, cần làm việc với Vestas để sử dụng chức điều khiển máy phát V80 như: điều khiển công suất phản kháng, chức trụ lưới có sụt áp thơng qua mạch AGO2, chức điều khiển tần số Hệ thống điều khiển hỗn hợp cần bổ sung thêm số chức sau: Xác định điểm làm việc máy phát theo công suất P Q so sánh với đặc tính cơng suất cho phép lâu dài máy phát; chức tính tốn mức độ thâm nhập tối đa điện gió theo ràng buộc kỹ thuật Các mô báo cáo chạy tin cậy thời cho thấy hệ thống gió - diesel đảo đảm bảo ổn định tần số Vì vậy, việc đầu tư thiết bị phụ trợ để tăng ổn định (như bánh đà, tải dumpload có điều khiển nhanh) chưa thực cần thiết Trong số giải pháp phụ trợ, việc đầu tư máy phát diesel tải thấp có khả đem lại lợi ích kinh tế cao thời điểm Máy phát diesel tải thấp cho phép điện gió tăng mức thâm nhập, thường xuyên phát turbine, thay turbine Nếu phía mua điện (EVN SPC) nhà đầu tư (PV Power) thống phương thức vận hành cho phép mức thâm nhập 70% máy diesel làm việc hệ số cơng suất thấp (khoảng 0,45 - 0,5), nên cân nhắc việc đầu tư lắp đặt máy phát diesel tải thấp Với hệ thống (khi chưa đầu tư thêm thiết bị phụ trợ), hệ thống đạt tỷ lệ phát điện turbine gió/diesel 70/30 mà đảm bảo tiêu chí kỹ thuật an toàn, tin cậy ổn định Với phụ tải đảo Phú Quý < 2MW giá bán điện 7,8UScent/kWh đầu tư thêm thiết bị phụ trợ không hiệu Với thực tế đảo Phú Quý, phải lựa chọn đầu tư thêm thiết bị phụ trợ để tăng khả thâm nhập điện gió, tăng thêm ổn định đem lại lợi ích kinh tế cho chủ đầu tư đầu tư thêm máy phát diesel tải thấp với DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 63 CƠNG NGHIỆP ĐIỆN cơng suất tối thiểu 300kW Khi đó, tỷ lệ thâm nhập điện gió tối đa lớn 70% ổn định so với hệ thống hỗn hợp turbine gió - diesel Ngồi ra, xem xét đầu tư thêm thiết bị phụ trợ để nâng cao độ ổn định với thứ tự ưu tiên: (1) bánh đà siêu tụ; (2) tải giả (3) thiết bị lưu trữ - Trên sở nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất chủ đầu tư (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam/PV Power/PV Power RE) cần đề nghị với EVN SPC để nâng tỷ lệ phát cơng suất gió/diesel lên thành 70/30; tăng thời gian phát điện từ 16 giờ/ngày lên 24 giờ/ngày đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, liên tục Đồng thời, chủ đầu tư cần xem xét đầu tư thêm máy phát diesel tải thấp để tăng thêm mức độ thâm nhập điện gió; kiến nghị tỉnh Bình Thuận giảm giá bán điện để sản xuất sinh hoạt đảo mức gần với giá bán điện chung nước; khuyến khích tăng phụ tải đảo Tài liệu tham khảo Công ty CP Tư vấn Xây dựng điện Thuyết minh dự án đầu tư Nhà máy Phong điện Phú Quý 2010 Nguyễn Phùng Quang Bùng nổ số lượng dự án phong điện: Liệu Việt Nam thực sẵn sàng? Tạp chí Tự động hóa Ngày 2013; 146 Vestas Control Systems A/S V80 944653 - control systems www.vestas.com National Renewable Energy Laboratory www.nrel gov Power Systems Engineering Research Center (PSERC) Impact of increased DFIG wind penetration on power systems and markets 2009 Beacon Power About flywheel energy storage www.beaconpower.com ABB in Vietnam Flywheel energy systems www abb.com.vn Roger Peters, Linda O’Malley Storing renewable power: Primer Pembina Institute 2008 10 Danvest Energy A/S Danvest energy system www.danvest.com 2011 PV Power RE Quy trình phối hợp vận hành hỗn hợp gió - diesel đảo Phú Quý 2012 Solution for wind - diesel hybrid system in Phu Quy island Vo Hong Thai1, Nguyen Duc Huy2, Tran Nam Trung3 Vietnam Petroleum Institute Hanoi University of Science and Technology Vietnam Electricity Summary Isolated supply systems distributing sources for areas without national grid have received more attention in recent years This paper presents some problems in the actual operation of a hybrid system which has wind turbines (3 x 2MW) and diesel units (6 x 0,5MW) on Phu Quy island The authors analysed and simulated some solutions for maximising the penetration of wind power to keep the system stable on the island and reduce the production cost of electricity Key words: Distributed energy, wind turbine, hybrid system, isolated grid, penetration, electrical quality 64 DẦU KHÍ - SỐ 3/2014 ... turbine gió Vận hành hệ thống hỗn hợp gió - diesel phức tạp Không đảm bảo công tác vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa dẫn đến ngừng hoạt động Hệ thống hỗn hợp pin mặt trời, turbine gió kết hợp với... hỗn hợp Hình Đáp ứng tần số hệ thống gió - diesel - Sau thời gian 10 - 15 giây tiếp theo, hệ thống điều khiển hỗn hợp tác động phân chia lại cơng suất gió - diesel theo phương thức định trước Đây... energy system www.danvest.com 2011 PV Power RE Quy trình phối hợp vận hành hỗn hợp gió - diesel đảo Phú Quý 2012 Solution for wind - diesel hybrid system in Phu Quy island Vo Hong Thai1, Nguyen