Những thách thức khi đấu nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện

Các nguồn năng lượng tái tạo trong đó có nguồn điện gió đang phát triển rất mạnh mẽ, ngày càng có nhiều nhà máy điện gió công suất lớn được đấu nối vào hệ thống điện. Việc đấu nối đặt ra một số thách thức trong vận hành, điều khiển ổn định hệ thống và đảm bảo chất lượng điện năng.

                                                                                           

Công nghệ tua bin gió đã phát triển ổn định trong 25 năm qua với sự tồn tại hiện nay là 4-5 thế hệ. Công suất khả dụng của tua bin gió phụ thuộc tốc độ gió và việc điều khiển để hạn chế công suất khi tốc độ gió lớn để tránh cho tua bin gió bị phá hủy là điều hết sức quan trọng. Về nguyên tắc có thể thiết kế một tua bin gió có khả năng tiếp nhận tất cả các mức tốc độ gió, song trọng lượng của nó sẽ rất lớn và điều đó dẫn chi phí đầu tư lớn mà lượng điện tăng thêm không thể bù đắp nổi chi phí này, vì xác suất tốc độ gió cao là rất nhỏ.

Khi đấu nối trực tiêp tua bin gió vào HTĐ sẽ xuất hiện dòng quá độ gây ra nhiễu loạn cho lưới điện và làm tăng cao mô men xoắn cho hệ thống truyền động. Dòng điện quá độ này hạn chế số tổ tua bin gió đấu nối vào HTĐ. Để khắc phục tình trạng này, người ta lắp vào  các máy phát điện gió hiện đại bộ hạn chế dòng điện hoặc bộ khởi động êm trên cơ sở công nghệ bán dẫn thyristors để hạn chế dòng điện quá độ ở mức thấp hơn hai lần dòng định mức của máy phát. Bộ thiết bị này cản dịu hiệu quả mô men xoắn đỉnh của máy phát và giảm tải cho bộ truyền động. Trong quá trình vận hành bình thường, thiết bị này được nối tắt tự động bởi công tăc ngắn mạch để giảm tổn thất công suất trong các linh kiện bán dẫn và giảm công suất nhiệt của thiết bị cản dịu.

Một tua bin gió hiện đại thường được trang bị một máy biến thế nâng từ điện áp máy phát thường dưới 1kV lên đến khoảng 20 hoặc 30KV để đấu nối vào lưới điện. Việc đấu nối vào lưới điện gồm hai phần là đấu nối tại chỗ giữa các tua bin bên trong NMĐG lại với nhau ở cấp trung thế và đấu nối NMĐG vào lưới điện. Trong trường hợp nhà máy điện có công suất lớn và ở cách xa hệ thống điện thì cần lắp đặt các máy biến thế nâng từ cấp trung thế lên cao thế rồi đấu vào đường dây cao thế truyền tải công suất của NMĐG vào HTĐ.

   I. Tác động của NMĐG đến chất lượng điện của HTĐ.                                                                       

a) Biến thiên điện áp: Ở mức độ cục bộ, biến thiên điện áp chủ yếu là vấn đề liên quan tới máy phát điện gió. Đây có thể là yếu tố hạn chế số lương tua bin gió có thể được lắp đặt. Trong điều kiện vận hành bình thường, chất lượng điện áp của một hay một cụm máy phát điện gió có thể được đánh giá bởi các thong số sau đây:                                                                       

 -   Điện áp ổn định trong trạng thái sản xuất điện liên tục.                                                              

–  Điện áp thăng giáng: 

+ Thăng giáng trong khi vận hành                                                                                                          +

Thăng giáng do đóng cắt                                                                      

 b) Điện áp trạng thái ổn định:           

Điện áp tại điểm đấu nối máy phát điện gió phải được duy trì trong giới hạn điều chỉnh của công ty điện lực. Việc vận hành máy phát điện gió có thể ảnh hưởng đến điện áp trong lưới điện mà nó đấu vào. Vì vậy, trong trường hợp cần thiết cần phải thực hiện các giải pháp thích hợp để bảo đảm rằng tua bin gió không làm cho biên độ điện áp vượt ra ngoài giới hạn yêu cầu.                  

c) Thăng giáng điện áp: Thăng giáng điện áp có thể gây ra tia sáng chập chờn (light flicker) tùy thuộc vào biên độ và tần số của dao động. Có hai loại chập chờn điện áp liên quan tới tua bin gió đó là chập chờn trong vận hành liên tục và chập chờn do đóng cắt tua bin và tụ bù. Giới hạn cho phép của chập chờn thường do các công ty điện lực tự quy định.Để ngăn ngừa phát sinh chập chờn điện áp từ sự suy giảm chất lượng điện áp, các đơn vị phát điện không nên gây ra nhấp nháy điện áp quá mức.                                                                                                                                            

d) Sóng hài: Nhiễu sóng hài là một hiện tượng liên quan đến sự méo song hình sin cơ bản và phát sinh do đặc tính phi tuyến của các thiết bị điện. Sóng hài làm tăng dòng điện, tăng tổn thất và có khả năng làm cháy thiết bị cũng như gây ảnh hưởng xấu tới mạng thông tin. Trong các tua bin gió hiện đại đều được trang bị các thiết bị lọc sóng hài đến giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn.

II. Các yêu cầu đối với việc đấu nối NMĐG vào HTĐ.                                                           

Một số yêu cấu thiết yếu đối với việc đấu nối NMĐG công suất lớn vào HTĐ:                                                     

 - Công suất tác dụng (P) được điều chỉnh tuyến tính với biến thiên tần số (f) giữa một giải nhất định (47 Hz – 52 Hz) với một giải liệt (49,85 Hz – 50,15 Hz) và tốc độ điều chỉnh là 10% công suất định mức trong 1 giây,                                                                                                                                                                                                        - Công suất phản kháng (Q) cần được điều chỉnh trong một giải khống chế ở mức tối đa 10% công suất định mức (hấp thụ ở mức zero công suất tác dụng và phát ra ở mức công suất tác dụng định mức),                                                                                                                                                                                                                               - Tua bin gió thong thường được vận hành trong các điều kiện bình thường (điện áp 95 - 105% định mức và tần số 49 – 51 Hz). Tuy nhiên, nó cũng có khả năng làm việc bên ngoài các điều kiện trên trong một thời hạn nhất định,                                                                                                                                                                                   - Trong trường hợp HTĐ bị sự cố, tua bin gió trải qua một sự biến thiên điện áp. Mức độ nghiêm trọng thời gian diễn biến của sự kiện này sẽ xác định liệu tua bin gió không bị tách ra hoặc có thể bị tách ra hay phải tách ra khỏi lưới hay không.

 - Tua bin gió cũng phải có khả năng chịu đựng nhiều hơn một sự cố độc lập xảy ra trong ít phút. Ngoài ra, còn có một số yêu cầu lien quan tới các hiện tượng như điện áp biến đổi nhanh, chập chờn, sóng hài…                                                                                                                            

III. Vận hành và điều khiển NMĐG. Đảm bảo độ ổn định                     

a) Điều chỉnh công suất tác dụng (tần số): Công suất tác dụng (P) của tua bin gió có thê điều chỉnh giảm nhưng khó có thể điều chỉnh tăng vì bị hạn chế bởi tốc độ gió. Tuy nhiên, nếu để tua bin gió làm việc ở mức độ thấp hơn công suất khả dụng của nó (dành một tỷ lệ nào đó cho dự phòng quay) thì có thể điều chỉnh tăng nhưng phải chịu thiệt về doanh thu.                                 

b) Bù công suất phản kháng: Ở chế độ không tải, máy phát điện gió tiêu thụ một lượng công suất phản kháng (Q) bằng khoảng 35 – 40% công suất tác dụng định mức, và tăng lên tới khoảng 60%. Công suất phản kháng là một trong các nguyên nhân chủ yếu gây nên sự không ổn định điện áp trong lưới điện, liên quan tổn thất điện áp trên các đường dây truyền tải. Dòng điện phản kháng cũng tham gia vào tổn thất công suất trong hệ thống. Đối với các NMĐG công suất lớn hiện đại, việc bù công suất phản kháng được thực hiện thông qua các thiết bị bù tĩnh có điều khiển như SVC (Static Var Compensator) hoặc STATCOM (Static Synchronous Compensator). Các thiết bị này có thể điều chỉnh êm lượng công suất phản kháng mà chúng phát ra.               

c) Đảm bảo độ ổn định: Đây là vấn đề rất quan trọng khi đấu nối NMĐG có công suất đủ lớn (khoảng trên 10% công suất của HTĐ) vào HTĐ. Trong trường hợp xảy ra sự cố khiến toàn bộ NMĐG khi nó đang làm việc với công suất định mức, đột ngột bị tách ra thì HTĐ sẽ mất ổn định do sụt giảm điện áp và tần số, ngoại trừ trong HTĐ có đủ lượng công suất “dự phòng quay” thay thế trong khoảng thời gian rất ngắn. Vì vậy, các máy phát tua bin khí hiện đại yêu cầu phải có khả năng “vượt cạn” trong suốt thời gian nhiễu loạn và sự cố để tránh bị tách ra hoàn toàn khỏi lưới điện.                                                                                                                             

\Để duy trì ổn định HTĐ, cần phải phải đảm bảo rằng các tua bin gió có khả năng khôi phục hoạt động bình thường một cách thích hợp và trong khoảng thời gian thích hợp. Việc sử dụng các thiết bị bù tĩnh như SVC, STATCOM để hỗ trợ duy trì điện áp HTĐ là một giải pháp hữu hiệu  đáp ứng yêu cầu này.                                                                                                                                                                                                                                                                             


  •     TS. Nguyễn Mạnh Hiến