L ỜI CẢM ƠN
2.5.1 Một số tiêu chuẩn Quốc tế
Bộ quy tắc kết nối NMĐG vào HTĐ bao gồm các yêu cầu kỹ thuật như: Yêu cầu khả năng chịu đựng dao động của hệ thống; yêu cầu về kiểm soát công suất tác dụng và tần số; yêu cầu về điều khiển công suất phản kháng và điện áp; khả năng vượt qua điện áp thấp; kiểm soát nhấp nháy và sóng hài của nguồn điện …[6, 18]
Để xây dựng bộ quy tắc kết nối, một số tiêu chuẩn được tham khảo như IEC 61400–21, IEC 60868; IEC 6100–3–7, IEEE std 519–1992, IEEE 1547–2003…
2.5.1.1 Phạm vi hoạt động của điện áp và tần số
Điện áp và tần số tạo ra từ NMĐG phụ thuộc rất lớn vào tốc độ gió. Mặt khác, việc ngắt và đóng kết nối với lưới điện đối với trang trại gió là thường xuyên xảy ra. Điều này làm thay đổi điện áp và tần số tại điểm kết nối, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Để
vận hành trạng trại gió an toàn, hiệu quả, kinh tế khi kết nối với lưới điện và đảm bảo chất lượng điện năng của lưới điện, các trang trại gió phải có khả năng hoạt động liên tục trong dải điện áp và tần số của hệ thống đã được qui định. Ngoài ra, NMĐG vẫn phải hoạt động trong trường hợp điện áp và tần số ngoài giới hạn này trong một thời gian nhất định. Các giới hạn thay đổi điện áp trong hệ thống điện còn phụ thuộc cấp điện áp tại điểm kết nối chung (POC) giữa máy phát điện gió với lưới điện được kết nối. Các giới hạn điện áp hoạt động này phụ thuộc vào cấu hình lưới của mỗi quốc gia. Giới hạn dưới thông thường không thấp hơn 90% và giới hạn trên không quá hơn 110% điện áp danh định đối với lưới truyền tải. Dải hoạt động điện áp sẽ hẹp hơn ở cấp điện áp cao hơn.
Tần số là một trong những thông số quan trọng nhất trong tất cả các mạng điện. Tần số của hệ thống điện thay đổi theo từng quốc gia hoặc 50 hoặc 60Hz. Tất cả các thiết bị phát điện trong hệ thống điện được thiết kế để hoạt động liên tục trong dải biên độ tần số xung quanh tần số danh định của lưới điện, thường là giữa 49,5 và 50,5Hz (50Hz đối với hệ thống điện Châu Âu, Việt Nam), và hoạt động trong thời gian nào đó trong dải tần số tối thiểu 47,5Hz và tối đa 52 Hz.
Một đồ thị đại diện của lưới điện Đan Mạch dùng cho turbine gió khi kết nối với lưới điện phân phối, cho biết phạm vi vận hành nằm trong giới hạn biên độ điện áp và tần số lưới. Phạm vi vận hành liên tục từ 90 đến 105% giá trị điện áp định mức và ±1Hz xung quanh tần số danh định của lưới điện. Tần số hoặc điện áp vượt quá giới hạn này, các turbine gió ngắt kết nối trong khoảng thời gian quy định, được minh họa trong Hình 2.13 [39, 40, 107].
Hình 2.13 Đồ thị thể hiện giới hạn biên độ điện áp và tần số của lưới điện Đan Mạch
vận hành có kết nối điện gió
Hình 2.14 Đồ thị thể hiện giới hạn biên độ điện áp và tần số của lưới điện Anh Quốc
vận hành có kết nối điện gió
Hình 2.14 mô tả giới hạn biên độ điện áp và tần số khi kết nối trang trại gió với lưới điện có cấp điện áp nhỏ hơn 132kV của quốc gia Anh. Cho phép điện áp dao động ± 6% điện áp định mức, vận hành liên tục trong dải tần số từ 49÷51 Hz, ngoài dải tần số này turbine gió ngắt
kết nối trong khoảng thời gian quy định.
Đối với Ấn Độ giới hạn điện áp +10% đến –12,5% đối với cấp điện áp 110kV, +10% đến –9% đối với cấp điện áp 66kV, +5% đến –10% ở cấp điện áp 33kV. Ở các giới hạn điện áp này nhà máy vận hành liên tục ở dải tần số từ 47,5 cho đến 51,5 Hz. Ngoài dải tần số này turbine gió vận hành ở thời gian sẽ được xem xét.
AiLen, giới hạn điện áp +10% đến –10% đối với cấp điện áp 110kV, turbine vận hành liên tục trong dải tần số từ 49,5 đến 50,5Hz. Ngoài dải tần số này từ 47,5 đến 52Hz turbine gió vận hành trong thời gian 60 phút, dải tần số từ 47 đến 47,5Hz turbine gió vận hành trong thời gian 20 giây. Tần số dưới 47,0Hz và trên 52Hz turbine dừng vận hành [22].
Ở cấp điện áp lớn hơn 110kV giới hạn điện áp và tần số của quốc gia Anh và Đan Mạch được giới thiệu trên Hình 2.15 và 2.16.
UĐM (kV) UH (kV) UL (kV) UHF (kV) ULF (kV) 400 440 320 420 360 150 180 135 170 146 132 155 119 145 125
Hình 2.15 Đồ thị thể hiện giới hạn biên độ điện áp và tần số của lưới điện Đan Mạch vận
hành có kết nối điện gió (ở cấp điện áp lớn hơn 132kV)
Hình 2.16 Đồ thị thể hiện giới hạn biên độ điện áp và tần số của lưới điện Anh Quốc vận
hành có kết nối điện gió (ở cấp điện áp lớn hơn 132kV) [109]
Kiểm soát công suất phản kháng rất quan trọng đối với các trang trại gió. Một số trang trại gió phải có khả năng cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện theo yêu cầu của nhà điều hành hệ thống điện với mục đích để đáp ứng với sự thay đổi điện áp của hệ thống và đạt hệ số công suất ±0,95 tương ứng với công suất và điện áp định mức tại điểm kết nối. Các yêu cầu kiểm soát công suất phản kháng có liên quan đến đặc điểm lưới điện của mỗi quốc gia, bởi vì lượng công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống liên quan công suất ngắn mạch và trở kháng tại điểm kết nối (POC) của trang trại gió.
Điện áp có liên quan chặt chẽ với công suất phản kháng, do đó turbine gió có khả năng kiểm soát công suất phản kháng để hỗ trợ và điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối (POC). Các trang trại gió lớn, hiện đại yêu cầu phải có khả năng kiểm soát cả công suất tác dụng và công suất phản kháng. Ngoài ra NMĐG còn phải trang bị bộ điều chỉnh điện áp (VR) để duy trì độ lệch điện áp nằm trong giới hạn quy định (± 10% cho các mạng điện áp thấp và ± 5% cho mạng lưới điện trung bình hoặc cao). Các NMĐG phải duy trì phát công suất phản kháng trong suốt khoảng thời gian điện áp giảm thấp theo khả năng cho phép của thiết bị. Việc đặt giá trị điện áp sẽ được thực hiện thông qua hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) từ nhà vận hành hệ thống.
Hình 2.17 Yêu cầu lượng công suất phản kháng của turbine gió [76]
2.5.1.3 Điều khiển công suất tác dụng và kiểm soát tần số [6, 80]
Một trong những yếu tố quan trọng nhất là việc tính toán và xác định lượng công suất dự phòng cần thiết để tránh sự sụp đổ hệ thống điện trong khi không thể dự báo trước vận tốc gió và vận tốc gió có thể đột ngột trở về không trong khoảng thời gian rất ngắn dẫn đến mất một lượng công suất.
Các trang trại gió phải có khả năng điều chỉnh sản lượng điện ở một mức xác định nào đó từ nhà điều hành hệ thống nhằm để hỗ trợ và ổn định tần số hệ thống điện. Ngoài ra, trang
trại gió phải có khả năng điều chỉnh tăng hoặc giảm công suất tác dụng theo độ lệch tần số. Chẳng hạn các nước như Đức, Ireland và Đan Mạch, lưới điện của họ yêu cầu các trang trại gió phải có khả năng hạn chế sản lượng điện. Quốc gia Anh yêu cầu các trang trại gió có thiết bị kiểm soát tần số chính và phụ. Thống kê cho thấy hầu hết các lưới điện của các quốc gia có mức độ thâm nhập của điện gió cao, yêu cầu các trang trại gió tham gia vào việc ổn định tần số của hệ thống (điều tần sơ cấp). Hình 2.18 mô tả đường cong điều chỉnh tỉ lệ phần trăm công suất trang tại gió ứng với dải tần số hoạt động đã quy định.
Hình 2.18 Điều chỉnh lượng công suất tác dụng cho việc hỗ trợ tần số [80]
Khi tần số vượt quá 50Hz yêu cầu các NMĐG giảm sản lượng theo một tỷ lệ nhất định. Mặt khác, ở tần số danh định các trang trại gió sẽ được yêu cầu hạn chế sản lượng điện thấp hơn mức công suất tối đa có thể đạt được. Bằng cách đó, nếu tần số bắt đầu giảm, các trang trại gió sẽ tăng sản lượng điện với công suất tối đa đạt được để duy trì tần số xung quanh tần số danh định. Việc cung cấp lượng công suất để đáp ứng tần số cao sẽ được mua dựa trên giá thị trường, đây là một dịch vụ đã được một số quốc gia quan tâm và điều này có thể trở thành nguồn thu nhập cho các chủ trang trại gió.
Ngoài ra NMĐG cần phải tuân thủ lệnh điều độ hệ thống để khởi động hoặc hoãn khởi
động cho đến khi các điều kiện khác được đáp ứng (ví dụ các nhà máy khác đã được khởi
động). Yêu cầu ngừng hoạt động trong thời gian sự cố và cho phép phục hồi với khoảng thời
gian vài trăm mili giây.
2.5.1.4 Khả năng vượt qua điện áp thấp
Sự xâm nhập ngày càng cao của nguồn năng lượng gió, đóng góp phần lớn điện năng đang trở thành một vấn đề quan trọng và là yếu tố tác động đến ổn định hệ thống điện quốc gia. Nếu một trang trại gió lớn đột ngột bị ngắt kết nối khi đang hoạt động bình thường làm cho hệ thống mất một lượng công suất lớn, phá vỡ sự cân bằng công suất trong hệ thống điện.
Do đó, yêu cầu các NMĐG phải duy trì kết nối trong trường hợp hệ thống bị sự cố để ngăn ngừa hệ thống mất ổn định. Nếu máy phát điện gió không thể vượt qua điện áp thấp, hệ thống sẽ sụp đổ vì sự sụt giảm tần số. Để tránh hiện tượng này hệ thống sẽ cần một lượng lớn công suất dự trữ quay điều này làm cho chi phí vận hành tăng cao. Vì vậy nhiều công ty Điện lực đòi hỏi yêu cầu NMĐG phải có khả năng vượt qua điện áp thấp (LVRT) (đặc biệt kết nối với lưới điện cao áp) với tỉ lệ phần trăm nhất định so với điện áp định mức (có khả năng chịu được điện áp giảm tới khoảng từ 0 – 15%) và trong thời gian qui định của mỗi quốc gia. Một số tiêu chuẩn yêu cầu NMĐG tăng công suất phản kháng phát vào lưới điện ngay khi xảy ra sự cố để hỗ trợ nâng cao điện áp như một máy phát điện đồng bộ thông thường hoạt động ở chế độ quá kích thích.
Hình 2.19 Qui định LVRT củaNMĐG ở một số quốc gia phát triển điện gió [60, 76]
2.5.1.5 Yêu cầu về chất lượng điện năng [18, 22, 55, 72, 80, 105]
Biến thiên điện áp
Biến thiên điện áp trên lưới điện chủ yếu gây ra bởi sự đóng cắt phụ tải và các nhà máy điện. Biến thiên điện áp sẽ mạnh hơn khi hệ thống điện được kết nối với nguồn điện gió, bởi việc sản suất điện năng từ NMĐG là không ổn định vì phụ thuộc vào tốc độ gió. Chẳng hạn như tại một thời điểm tốc độ gió rất lớn nhưng ngay sau vài phút có thể lại gần bằng không hoặc NMĐG dừng khẩn cấp khi gió quá thấp hoặc quá cao.
Mức độ biến thiên điện áp cho phép gây ra bởi các turbine gió kết nối với lưới điện được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế và quy định của mỗi quốc gia. Ví dụ tại Đan Mạch đối với
lưới truyền tải, turbine gió gây ra một sự biến đổi điện áp không vượt quá 1% tại điểm kết nối chung (POC) [39]. Ở Đức và Thụy Điển các giới hạn tương ứng là 2% và 2,5%. Đan Mạch, không quá 4% ở cấp điện áp 10 – 20kV và không quá 3% ở cấp điện áp 50 – 60kV [40]. Ai Len và Ấn Độ theo tiêu chuẩn IEC 61000–3–7…
Nhấp nháy điện áp
Hiện tượng nhấp nháy là kết quả của việc biến đổi công suất ở đầu ra của máy phát điện gió chủ yếu do hiệu ứng bóng tháp và biến đổi tốc độ gió, dẫn tới sự thay đổi điện áp trên lưới điện. Để xác định mức độ chập chờn người ta dựa trên các phép đo biến đổi của biên độ điện áp. Theo tiêu chuẩn IEC 868, hai thông số được xem xét là mức nhấp nháy điện áp ngắn hạn Pst (là giá trị đo được trong khoảng thời gian 10 phút) và mức nhấp nháy điện áp dài hạn Plt
(được tính từ mười hai kết quả đo Pst liên tiếp sau khoảng 2 giờ).
Khuyến cáo rằng Plt ≤ 0,5 ở cấp điện áp từ 10 – 20kV và Plt ≤ 0,35 ở cấp điện áp 50 – 60kV được xem là chấp nhận được (Technical Regulation TF3.2.6) [40]. Tuy nhiên, tùy theo mỗi quốc gia có thể có những giới hạn cho phép nhấp nháy khác nhau. Chẳng hạn, đối với lưới phân phối: Đan Mạch Plt ≤ 0,5 ở cấp điện áp từ 10 – 20kV và Plt ≤ 0,35 ở cấp điện áp 50 – 60kV, ở Đức tại điểm kết nối Plt ≤ 0,46. Ở cấp điện áp lớn hơn 132kV, Plt ≤ 0,37 (Đức) và Pst
≤ 0,8, Plt ≤ 0,6 đối với tiêu chuẩn Anh…
Sóng hài
Các máy phát điện gió sử dụng các bộ điện tử công suất, là nguồn phát sinh sóng hài. Kiểu máy phát phụ thuộc vào công nghệ bộ biến đổi điện tử công suất và cấu trúc của chúng. Bản thân máy phát điện gió cũng là nguồn gây ra sóng hài, phụ thuộc vào cấu trúc bộ dây quấn, mạch từ…Méo hài điện áp có thể do sóng hài hệ thống. Sự biến dạng sóng hài có thể được định lượng bằng phương pháp đo tổng biến dạng sóng hài TDH (Total Harmonic Distortion) hoặc biến dạng sóng hài riêng lẻ. Tiêu chuẩn IEC 61.400–21 (2008), IEC 61000– 3–6 và IEEE 519–1992 thường được áp dụng trong hệ thống năng lượng gió hiện đại.
Đối với Ấn Độ ở cấp điện áp lớn hơn 132kV, THD ≤ 3% và THD ≤ 5% đối với lưới có cấp điện áp thấp hơn 69kV và THD ≤ 2,5% ở cấp điện áp lớn hơn 69kV. Qui định về tổng dạng méo hài của quốc gia Ai Len theo tiêu chuẩn IEC 61000–3–6…
