5. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.2.1 Nhấp nháy hay dao động điện áp
Hình 3.1.Đường tỉ lệ thay đổi điện áp và số lần thay đổi điện áp 1 trong phút.
Thuật ngữ 'nhấp nháy' có nghĩa là nhấp nháy của ánh sáng đèn điện gây ra bởi sự biến động của nguồn điện áp, có thể làm ảnh hƣởng tới mục đích sử dụng điện của ngƣời sử dụng và gây khó chịu cho ngƣời dân. Nhấp nháy đƣợc định nghĩa là sự biến động của điện áp trong một dải tần số lên đến 35 Hz. Nhấp nháy đƣợc đánh giá dựa trên IEC 61000-3-7 (IEC, 1996). Cơ sở cho việc đánh giá là những đƣờng cong đƣợc đƣa ra trong Hình 3.1, với một giá trị ngƣỡng cho yếu tố rối loạn nhấp nháy ngắn hạn Pst là Pst = 1. Đƣờng cong này cho thấy mức độ nhấp nháy là một yếu tố
sóng điện áp hoặc một chuỗi các thay đổi ngẫu nhiên về điện áp, biên độ điện áp thƣờng không vƣợt quá giới hạn qui định là từ 0,9 pu đến 1,1 pu. Công suất tải dao động trong hệ thống điện nhƣ máy hàn, lò hồ quang, hoặc nồi hơi điện... là những nguồn chính gây nên sự dao động điện áp.
Đối với tuabin gió thì sự dao động điện áp có thể đƣợc gây ra bởi các tác động nhƣ hiệu ứng cột tháp, lỗi bộ phận chuyển hƣớng, cắt gió, sự bất ổn của gió hay thay đổi trong kiểm soát hệ thống. Và đƣợc bắt nguồn từ 2 phƣơng thức vận hành khác nhau: chế độ vận hành lâu dài và chế độ vận hành gián đoạn.
Dao động điện áp từ chế độ vận hành lâu dài là do sự thay đổi công suất phát khi tốc độ gió thay đổi. Nguyên nhân chính của sự nhấp nháy trong tuabin tốc độ cố định (Loại A) là do hiệu ứng cột tháp. Mỗi khi một cánh quạt đi qua tháp, sản lƣợng điện của tuabin lại giảm. Hiệu ứng này gây ra dao động năng lƣợng định kỳ với tần số khoảng 1 Hz. Hình 3.2 đƣa ra một ví dụ về dao động năng lƣợng trong một tuabin gió tốc độ cố định. Ở tốc độ gió thấp tốc độ gió ít thay đổi và do đó ít gây nhấp nháy. Và nói chung nhấp nháy của tuabin gió tốc độ cố định đạt tối đa ở tốc độ gió cao. Liên quan đến kích thƣớc thì do hiệu ứng làm mịn, tuabin gió lớn thƣờng ít tạo ra nhấp nháy hơn những tuabin gió cỡ nhỏ. Một ví dụ về nhấp nháy của tuabin gió tốc độ có định (Loại A) đƣợc đƣa ra trong hình 3.3.
Với các tuabin gió tốc độ thay đổi (loại C và D), dao động năng lƣợng nhanh chóng đƣợc làm nhẵn và hiệu ứng cột tháp tháp không ảnh hƣởng đến sản lƣợng điện. Do đó, nhấp nháy của tuabin tốc độ thay đổi (loại C và D) là nói chung thấp hơn so với nhấp nháy của tuabin gió tốc độ cố định (loại A). Hình 3.4 đƣa ra một ví dụ về sản lƣợng điện của một tuabin gió tốc độ thay đổi.
Trong các trang trại gió, dao động năng lƣợng đƣợc làm nhẵn vì thực tế là dao động công suất của các tuabin gió riêng lẻ là không thống nhất. Nhấp nháy của một trang trại gió là tổng hình học của các nhấp nháy của tất cả các tuabin riêng lẻ trong trang trại. Điều này có nghĩa rằng đối với một trang trại gió bao gồm n tuabin cùng loại, nhấp nháy của cả trang trại là lần nhấp nháy của một tuabin gió duy nhất.
Hình 3.2. Dao động công suất đầu ra của tuabin gió tốc độ cố định (loại A)
Hình 3.4. Công suất đầu ra của một tuabin gió tốc độ thay đổi
Trong chế độ vận hành gián đoạn, hiện tƣợng nhấp nháy thƣờng gặp trong các hoạt động chuyển mạch nhƣ cắt trong, khởi động và dừng tuabin gió. Điện áp thay đổi trong các hoạt động chuyển đổi này là do sự quá dòng và sự thay đổi tƣơng ứng công suất tác dụng và công suất phản kháng của một tuabin gió. Đối với tuabin gió tốc độ cố định, có một giới hạn khởi động mềm cho thời điểm quá dòng của các máy phát điện không đồng bộ. Các bộ khởi động mềm thƣờng đƣợc dựa trên công nghệ thyristor và giới hạn cao nhất là giá trị góc vuông trong khi cao dòng đạt đến một mức thấp hơn 2 lần dòng định mức của máy phát điện. Hình 3.5(a) cung cấp một ví dụ về việc cắt giảm trong một tuabin tốc độ cố định ( loại A ). Trƣớc khi cắt trong , tốc độ quay của cánh quạt và của các máy phát điện không đồng bộ tăng bởi gió. Khi đạt đƣợc tốc độ đồng bộ, các máy phát điện sẽ đƣợc kết nối với lƣới điện. Các khởi động mềm hoạt động trong khoảng 1 hoặc 2 giây và giới hạn trong giới hạn dòng điện. Trong thời gian này, các máy phát điện cần công suất phản kháng để nhiễm từ tính. Một vài giây sau khi máy phát điện đƣợc kết nối, các tụ điện đƣợc sử dụng để giảm thiểu nhu cầu công suất phản kháng. Những thay đổi công suất nhanh chóng trong chuyển mạch là nguyên nhân của sự nhấp nháy. Những thay đổi lớn trong công suất tác dụng và phản kháng gây ra dao động điện áp.
Hình 3.5. Cắt trong (a) một tuabin gió tốc độ cố định (loại A) và (b) một tuabin gió tốc độ thay đổi(loại C và D)
Nói chung , tuabin tốc độ thay đổi ( loại C và D ) không biểu hiện trong lúc cao dòng. Hình 3.5(b) cung cấp ví dụ về một cắt trong . Trƣớc khi nhà máy phát điện, tốc độ quay của cánh quạt tăng do gió. Nếu tốc độ quay là đủ cao thì sản xuất
tuabin tốc độ thay đổi ( loại C và D ) trong các hoạt động chuyển đổi thƣờng dẫn đến thay đổi điện áp tƣơng đối thấp và nhấp nháy hiển thị thấp. Trong các trang trại gió, thƣờng chỉ có một hoặc một vài tuabin gió bắt đầu hoặc dừng lại đồng thời . Để tính toán sự thay đổi điện áp do các hoạt động chuyển mạch chỉ cần xem xét một vài tuabin trong trang trại.
Nhƣ trên đã nói nhấp nháy đƣợc đánh giá dựa trên IEC 61000-3-7 (IEC, 1996). Tiêu chuẩn chỉ ra chỉ số dao động ngắn hạn của tuabin gió Pst đƣợc đo trong khoảng thời gian 10 phút, còn chỉ số dao động dài hạn, Plt, đƣợc đo trong vòng 2 giờ có mối liên hệ nhƣ sau:
√∑
(3.1)
Tiêu chuẩn cũng đƣa ra giới hạn cho phép của cả 2 chỉ số này cho trung áp và cao áp nhƣ bảng 3.1 sau [4]:
Bảng 3.1. Mức độ nhấp nháy theo kế hoạch và phát thải cho điện áp trung bình (MV) và điện áp cao (HV).
Mức độ nhấp nháy Mức nhấp nháy kế hoạch Mức nhấp nháy phát thải
MV HV MV và HV
Pst 0.9 0.8 0.35
Plt 0.7 0.6 0.25
Nhìn chung không chỉ với tuabin gió thì giá trị Plt phải nhỏ, không lớn hơn 1 trong khoảng 95% thời gian một tuần. Nó chỉ ra rằng tác động của sự dao động là mang tính chủ quan, ví dụ nhƣ trong một số trƣờng hợp, con ngƣời có thể bị gây phiền toái với Plt = 1, trái lại trong một số trƣờng hợp thì có thể chấp nhận giá trị lớn hơn. Và để đảm bảo Plt ≤ 1 ở đầu vào của khách hàng (hộ tiêu thụ, điểm tải..) thì mỗi nguồn gây dao động đƣợc nối vào lƣới phải nằm trong giới hạn cho phép.