6. Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu 2-
I.4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI NỐI ĐIỆN GIÓ VỚI ĐƯỜNG DÂY 2 9-
I.4.1. Tiêu chuẩn kết nối DG với đường dây
Các giá trị điện áp thấp nhất đạt được trong quá trình làm việc không bình thường, thường không thấp hơn 90% của điện áp danh định truyền tải và có thể được giảm ở một số nước đến 70% của điện áp ban đầu trong thời gian lên đến 10 giây mà không ảnh hưởng tới tính ổn định của nhà máy điện gió. Điện áp vượt quá giới hạn thường hiếm xảy ra nhưng giá trị cao nhất thường không cao hơn 113% của điện áp danh định truyền tải.
Hình 1.16: Giá trị điện áp phục hồi sau sự cố của tuabin gió.
Các máy phát điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có các lợi thế hơn hẳn là hệ thống chuyển đổi năng lượng hoàn toàn tách riêng với máy phát điện nối lưới điện. Do đó, nếu có sự cố trên lưới điện thì không tác dụng trực tiếp lên các máy phát điện và khi điện áp giảm xuống thấp thì mômen xoắn biến thiên thấp hơn nên khả năng phục hồi nhanh hơn.
Các máy phát điện gió phải có khả năng hoạt động liên tục trong phạm vi điện áp và tần số quy định theo bảng dưới đây:
Điện áp Tần số Vận hành 90 – 105 % 49,5 – 50,5 Liên tục
90 – 105 % 48 – 49,5 Khả năng vận hành trong 10 phút 90 – 105 % 50,5 – 52 Khả năng vận hành trong 1 phút
I.4.2. Phương pháp nối kết nối DG với đường dây
Khi nối DG vào lưới điện, trong chế độ sự cố, DG có thể làm giảm bớt mức độ suy giảm điện áp, tuy nhiên cũng ảnh hưởng đến sự phân bố dòng sự cố với mức độ phức tạp tăng lên. Lưới điện phân phối được mô tả bằng dung lượng ngắn mạch, tức là không bao giờ được vượt quá dòng điện sự cố lớn nhất, liên quan đến định mức của thiết bị đóng cắt và khả năng chịu đựng cơ khí và nhiệt của tất cả các thiết bị và các cấu trúc được tiêu chuẩn hóa. Các DG thường được nối vào lưới điện phân phối và có nhiều cách để có thể ghép nối DG vào lưới điện.
Trên thực tế, nếu DG độc lập và không có mạng lưới có thể ghép nối trực tiếp vào lưới điện hoặc ghép nối nhiều DG với nhau sau đó nối lên lưới nếu các DG đặt gần nhau, tùy vào tình trạng nguồn và lưới ta chọn cách ghép nối phù hợp đảm bảo các quy định về điện áp, độ ổn định, ...
Ví dụ: Hai trại gió công suất 10 MW giống hệt nhau được đấu nối vào cùng một lộ 34,5 kV ở hai điểm cách nhau 1,6 km và cách trạm biến áp 18,31 km. Đây là trạm trung gian gồm thanh cái 115 kV cấp nguồn từ hai đường dây, hai máy biến áp 115 kV/69 kV đấu song song và một máy biến áp 115 kV/34,5 kV. Hai trại gió 10 MW được đấu nối với máy 115 kV/34,5 kV này. Bộ điều chỉnh điện áp ở phía 34,5 kV của máy biến áp được lập trình để bù sụt điện áp đường dây đáp ứng nhu cầu của tất cả các mạch trong thời gian mang tải mùa hè. Cả hai trại gió đều thuộc cùng một mạch điện và cung cấp 15 MW đến 20 MW công suất cho lộ. Cũng lộ này phục vụ ba cơ sở thương mại, phụ tải bơm tưới đồng ruộng, các hộ gia đình và một trạm biến áp. Phụ tải đỉnh của mạch điện là 8 MW, phụ tải trung bình là 5 MW. Các tuabin gió sử dụng hệ thống mạch góp 34,5 kV và được đấu nối với lưới truyền tải qua cầu dao
phụ tải chân không, tự động đóng trở lại (vacuum recloser) có rơle điều khiển bảo vệ quá dòng.
Hệ thống SCADA (giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu) của trại gió có khả năng ngắt trại gió khỏi lưới truyền tải khi hệ thống truyền tải không hoạt động do sự cố hoặc điều kiện bất lợi khác. Các tuabin gió có rơle bảo vệ thấp áp, điều khiển công suất phản kháng và hoà đồng bộ.
I.4.3. Kỹ thuật nối kết nối DG với đường dây
Một trong các vấn đề đầu tiên về chất lượng điện xảy ra đối với tuabin gió là tác động của chúng lên sơ đồ các máy biến áp 115 kV/69 kV vận hành song song trong trạm trung gian. Dòng công suất phản kháng lên thanh cái 115 kV khá lớn, gây ảnh hưởng tới việc chuyển nấc của bộ điều chỉnh điện áp khiến chúng chuyển sai tới trên ba nấc. Sơ đồ song song là sơ đồ dòng điện mạch vòng, khiến cho các bộ điều chỉnh điện áp bị khoá không chuyển nấc được khi các bộ điều chỉnh điện áp lệch nhau từ bốn nấc trở lên. Thường mỗi tuần các bộ điều chỉnh điện áp lại bị kẹt do bị khoá vì sai nấc.
Sau khi xem xét sự hoạt động của các bộ điều chỉnh điện áp người ta phát hiện công suất phản kháng từ các tuabin gió đi vào thanh cái và qua các máy biến áp 115 kV/69 kV, tại đó các bộ điều chỉnh điện áp gặp trở kháng tương đối lớn, gây ảnh hưởng tới sơ đồ bộ điều chỉnh điện áp. Sau thời gian dài nghiên cứu, đã xác định rằng cần chuyển sơ đồ song song thành sơ đồ chủ/tớ (master/slave scheme), còn gọi là sơ đồ chốt nấc (lock-step scheme).
Với thay đổi này, máy biến áp chủ phản ứng với thay đổi trên thanh cái và sau đó thông tin cho máy biến áp kia khi nào chuyển nấc. Sau khi thực hiện thay đổi, các máy biến áp tiếp tục vận hành song song, nhưng hiện tượng kẹt bộ điều chỉnh điện áp giảm nhẹ đi nhiều.
Vấn đề còn lại liên quan đến trại gió là tác động lên các hộ tiêu thụ đấu nối vào cùng mạch điện. Hai trong số ba cơ sở thương mại bị ảnh hưởng của điện áp cao và hiện tượng nháy, khiến rơle của họ tác động làm cắt mạch. Người ta đã lắp các máy ghi chất lượng điện tại điểm đấu nối các trại gió và tại cơ sở của các hộ tiêu thụ bị ảnh hưởng. Các máy ghi cho thấy khi phụ tải mạch điện thấp và tuabin gió hoạt
động, tình trạng vượt áp xuất hiện trên mạch điện khiến một số thiết bị của cơ sở thương mại tác động ngắt dựa theo giá trị đặt quá áp của rơle của các cơ sở này. Hiện tượng này xảy ra thường xuyên nên một cơ sở buộc phải cho nửa nhà máy của họ chạy bằng máy phát riêng thay vì sử dụng nguồn điện lưới.
Người ta đã tiến hành nghiên cứu, từ đó có được những thông tin về giải pháp thực hiện nhằm giảm nhẹ ảnh hưởng tới khách hàng. Một biện pháp đã thực hiện là hiệu chỉnh rơle khống chế công suất phản kháng và đặt dung sai chặt hơn, kết quả là tuabin gió vận hành với hệ số công suất được duy trì gần như bằng 1.
Một biện pháp khác đã áp dụng là hiệu chỉnh chế độ đặt của bộ điều chỉnh điện áp của máy biến áp 115 kV/34,5 kV. Việc hiệu chỉnh bao gồm thay đổi mức bù sụt áp đường dây, dải tác động và thời gian phản ứng của bộ điều chỉnh điện áp. Sau khi thực hiện cả hai biện pháp, các máy ghi chất lượng điện cho thấy điện áp nằm trong giới hạn điện áp theo tiêu chuẩn ANSI. Các cơ sở thương mại nói rằng thiết bị ghi của họ cho thấy điện áp đã được cải thiện và nhờ đó, họ quay về sử dụng điện lưới.
I.4.4. Các yêu cầu khi k ết nối DG với đường dây
I.4.4.1. Công suất đặt cực đại của điện gió (Maximum Wind power installation)
Khả năng tải của máy biến áp, cáp, dây dẫn, thiết bị chuyển mạch được sử dụng để xác định mức công suất cực đại của điện gió có thể lắp đặt. Ở Vương quốc Bỉ đã có quy định, công suất thiết kế của điện gió phải nhỏ hơn công suất máy biến áp tăng áp của máy phát điện gió và phù hợp với tiêu chuẩn (n-1) của khu vực kết nối. Ở Italia, yêu cầu công suất lắp đặt của điện gió không vượt quá 65% công suất khu vực kết nối. Trong khi đó, ở Tây Ban Nha yêu cầu này là không vượt quá 50%. Giới hạn công suất ngắn mạch cũng được sử dụng như một tiêu chuẩn. Công suất ngắn mạch của mạng điện gió được bổ sung thêm không được vượt quá khả năng của các thiết bị chuyển mạch. Cấp điện áp cũng được xác định như một tiêu chuẩn để xác định công suất đặt cực đại của máy phát điện gió.
I.4.4.2. Cấp điện áp kết nối điện gió (Voltage levels of Wind power connection)
Do công suất phát hạn chế, điện gió thường được kết nối với mạng trung áp và hạ áp. Tuy nhiên, không có mức giới hạn điện áp cực đại khi kết nối điện gió. Cấp điện áp được sử dụng như là một yêu cầu cho phối hợp bảo vệ và mức công suất danh
định, vị trí kết nối. Trong trường hợp kết nối với lưới trung áp, máy biến áp có thể được yêu cầu làm nhiệm vụ bảo vệ điện gió, do điện gió có thể tiêu thụ công suất phản kháng, đồng thời ngăn ngừa dòng thứ tự “không” và hạn chế dòng ngắn mạch. Nói chung, ở các nước với quy mô điện gió tập trung nhỏ hơn 20 MW đều được kết nối lưới điện trung áp, sau đó kết nối với lưới điện truyền tải.
I.4.4.3. Chất lượng điện năng (Power quality) * Sóng hài (Harmonic)
Bậc của sóng hài sinh ra bởi điện gió yêu cầu không được gây ra các nhiễu loạn trong lưới điện phân phối. Tổng độ méo toàn phần (Total Harmonic Distortion - THD) được yêu cầu nhỏ hơn 5%.
Theo IEEE 519-1992 đã yêu cầu các giá trị khác nhau của sóng hài và tổng độ méo toàn phần:
< 11th 4,0%
< 11th đến < 17th 2,0%
< 17th đến 23th 1,5%
< 23th đến 35thth 0,6%
< 35th hoặc cao hơn 0,3%
Tổng (THD) 5,0%
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…và làm thay đổi độ méo toàn phần (THD) của mạng điện. Theo Thông tư số 32 (năm 2007 của Bộ Công Nghiệp cũ nay là Bộ Công Thương), giá trị cực đại cho phép (theo % điện áp danh định) của THD điện áp gây ra bởi các thành phần sóng hài bậc cao đối với các cấp điện áp được quy định.
Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ
110kV 3,0% 1,5%
* Chập chờn (Flicker)
Hiện tượng chập chờn là kết quả của việc biến đổi công suất ở đầu ra của máy phát điện gió, dẫn tới sự thay đổi điện áp trên lưới điện phân phối. Để hạn chế hiện tượng này, nhiều nước đã đưa ra yêu cầu công suất lắp đặt cực đại của điện gió phải nhỏ hơn 3 lần công suất ngắn mạch tại điểm kết nối chung. Tiêu chuẩn IEC 6140-21 [3] cũng đưa ra yêu cầu về chất lượng điện năng cho những tuabin gió nối lưới, trong đó giới hạn nhấp nháy dài hạn của môt tuabin gió đơn lẻ là Plt = 0,25 được tính từ 12 kết quả đo Pst liên tiếp (sau khoảng thời gian 2 giờ). Tổng giá trị chập chờn của một trang trại gió không vượt quá 0,5 tại một nút bất kỳ trong mạng điện. Các yêu cầu này đều có giá trị thấp hơn so với Thông tư 32.
* Hệ số công suất (Power factor)
Hầu hết các máy phát điện gió đều vận hành với hệ số công suất đồng nhất (cosφ = 1). Trong vận hành thường, các máy phát này đều yêu cầu có lắp đặt các bộ tụ bù. Việc lắp đặt tụ bù được thực hiện ngay tại máy phát. Tiêu chuẩn kỹ thuật của C.H. Pháp yêu cầu các máy phát điện gió công suất lớn (trường hợp này là các máy phát đồng bộ) phải có khả năng phát và tiêu thụ công suất phản kháng đến một giá trị nhất định nào đó. Máy phát điện gió sử dụng máy điện đồng bộ thích hợp cho việc duy trì hệ số công suất để điều khiển điện áp tại điểm kết nối chung (PCC). Đối với điện gió sử dụng máy phát không đồng bộ thì yêu cầu hệ số công suất phải cao hơn 0,86. Ở nước ta có quy định các tổ máy phát điện không đồng bộ phải được trang bị các tụ bù để đảm bảo hệ số công suất tối thiểu bằng 0,90.
* Dòng điện một chiều (Direct Current - DC)
Dòng điện một chiều DC đưa vào lưới điện từ máy phát điện gió loại nhỏ là một vấn đề được quan tâm. Việc xuất hiện dòng DC làm tăng thêm sự bão hoà các thành phần từ hoá lõi thép các máy biến áp. Theo tiêu chuẩn IEEE 1547, dòng điện một chiều đưa vào lưới từ các máy phát điện này phải nhỏ hơn 0,5% dòng định mức của máy phát tại điểm kết nối. Theo quy định của Vương Quốc Bỉ, giá trị dòng DC đưa vào lưới phải nhỏ hơn 1,0% dòng định mức; nếu cao hơn 1,0% thì phải được loại trừ sau 2 giây.
* Bảo vệ (Protection)
Hầu hết các nước đều chưa có các tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật cho các máy phát làm việc độc lập. Các máy phát điện gió đều phải tách lưới khi lưới điện chính không cung cấp điện hoặc khi có sự cố năng nề. Khi giá trị điện áp và tần số vượt ra khỏi phạm vi cho phép (Xem bảng 3), các máy phát điện gió đều phải ngừng hoạt động trong khoảng thời gian khôi phục sự cố. Tiêu chuẩn IEEE 1547 coi các máy phát điện gió công suất nhỏ có ít tác động đến hệ thống. Tuy nhiên, những máy phát có công suất trên 30 kW có thể sẽ có những tác động đáng kể đến lưới điện phân phối, yêu cầu này được tính đến sẽ cho phép người vận hành thiết lập, chỉnh định rơle tần số thấp.
* Tự động đóng lại
Việc đóng lại các máy phát điện gió, nói chung phải đảm bảo không gây ra các tác động độc lập khác. Với DG nối lưới truyền tải mà khi có sự cố trên lưới truyền tải, các máy phát điện gió sẽ được yêu cầu cắt ra khỏi lưới. Tiêu chuẩn kỹ thuật của Italia quy định, thời gian đóng lại sau 2 giây đối với lưới 150 kV; 2,6 giây đối với lưới 220 kV và 4 giây đối với lưới 380 kV. Tuy nhiên, trong khi 70-95% sự cố là thoáng qua, thì việc yêu cầu cắt điện gió ra khỏi lưới có thể là không thật cần thiết miễn là hệ thống vẫn chịu được các tác động này.
Nói chung các điện gió không bị ảnh hưởng bởi việc tự động đóng lại. Các phản ứng của điện gió cần được kết hợp với các thiết bị bảo vệ độc lập, ngăn ngừa các những hư hại có thể ảnh hưởng tới các hệ thống khác. Theo IEEE 1547, máy phát điện gió sẽ tạm ngừng hoạt động khi tự đóng lại đã khôi phục trở lại. Yêu cầu này được đưa ra nhằm ngăn ngừa sự mất đồng bộ trong khoảng thời gian đóng máy, ảnh hưởng tới thiết bị bảo vệ quá dòng hoặc để tránh hư hại tới các máy biến áp và bản thân điện gió. Ở Đức, thời gian tác động của bảo vệ phải ngắn hơn thời gian tự đóng lại. Ở Tây Ba Nha, máy phát điện gió được đấu nối trở lại nếu điện áp tại điểm PCC không nhỏ hơn 0,85 pu với thời gian t < 3 phút.
Việc đấu nối phải đảm bảo không làm ảnh hưởng đến chế độ vận hành của mạng điện. Để có thể hoà đồng bộ điện gió với lưới điện, điện áp của điện gió và điện áp của lưới điện phải có cùng điện áp, tần số, thứ tự pha và góc pha. Nếu hội tụ đủ những điều kiện này, điện gió có thể được hoà đồng bộ với lưới với mức điện áp dao động nằm trong phạm vi ±5% tại điểm kết nối chung. Điện gió có thể được kết nối với lưới thông qua các bộ nghịch lưu với mức điều khiển tăng dần từ không tải lên đến đầy tải. Bộ nghịch lưu có thể được bố trí nối tiếp (dãy) hoặc song song.
Việc hoà đồng bộ qua bộ nghịch lưu nối tiếp (dãy) thường yêu cầu duy nhất