Vận hành hệ thống điện với độ xâm nhập cao của năng lượng tái tạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày thực tế này với các giải pháp cho các vấn đề đặt ra trong trạng thái xác lập, cũng như trong trạng thái quá độ khi vận hành hệ thống, trong đó các khía cạnh nhằm bảo đảm độ ổn định của lưới điện khi mức xâm nhập của các nguồn phát từ năng lượng tái tạo sẽ trở nên cao hay quá cao cần đặc biệt được lưu ý.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vận hành hệ thống điện với độ xâm nhập cao của năng lượng tái tạo

VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN VỚI ĐỘ XÂM NHẬP CAO CỦA NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO (PHẦN 1) PGS. TS. NGUYỄN HỮU PHÚC Trường ĐH Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM TÓM TẮT Hiện nay các nguồn phát điện từ năng lượng tái tạo, đặc biệt năng lương mặt trời, năng lượng gió, đang được tích hợp ngày càng với tỉ lệ tăng dần vào hệ thống điện hiện hữu tại nhiều nước. Xu thế với mức độ xâm nhập ngày càng cao của năng lượng tái tạo sẽ đặt ra các vấn đề, cũng như các thách thức lớn về mặt kĩ thuật, mang tính bản chất vật lí, tính hệ thống mà lưới điện tương lai buộc phải đối mặt và giải quyết. Bài báo trình bày thực tế này với các giải pháp cho các vấn đề đặt ra trong trạng thái xác lập, cũng như trong trạng thái quá độ khi vận hành hệ thống, trong đó các khía cạnh nhằm bảo đảm độ ổn định của lưới điện khi mức xâm nhập của các nguồn phát từ năng lượng tái tạo sẽ trở nên cao hay quá cao cần đặc biệt được lưu ý 1. MỞ ĐẦU H iện nay, một số nước trên thế giới đã đạt đến mức độ xâm nhập cao của năng lượng tái tạo (NLTT) trong hệ thống điện quốc gia, thậm chí ở mức rất cao đến 100% , như Iceland đang cung cấp 100% nhu cầu điện với nguồn địa nhiệt hoặc thủy điện. Một số quốc gia khác với lưới điện đang có mức độ xâm nhập cao của năng lượng tái tạo dựa trên thủy điện bao gồm Na Uy (97%), Costa Rica (93%), Brazil (76%), và Canada (62%). Trong nhiều thập kỷ các nhà máy thủy điện cung cấp nguồn điện từ năng lượng tái tạo tương đối rẻ tiền, tuy vậy các hệ thống này tùy thuộc nhiều vào lượng mưa tự nhiên và các yếu tố địa lý. Thực tế, trên phạm vi thế giới đến nay đã khai thác gần hết các địa điểm với tiềm năng tốt về thủy điện. Trong xu hướng các hệ thống điện (HTĐ) các nước dần đưa các nguồn năng lượng tái tạo vào làm việc, các hệ thống phát quang điện và điện gió sẽ có đóng góp to lớn, và cùng với chi phí đầu tư cho các công nghệ này trong các năm gần đây giảm nhanh, việc triển khai các nhà máy điện mặt trời và điện gió công suất lớn đang xảy ra trên khắp thế giới. Điển hình, tại Ireland, Đan Mạch, Đức đều đang vận hành hệ thống điện quốc gia với mức độ xâm nhập hàng năm của NLTT trên 20%. Thường dùng thuật ngữ mức độ xâm nhập hàng năm (annual penetration level) trong việc tính toán mức độ tham gia của NLTT vào hệ thống điện trên cơ sở năng lượng điện sản xuất trong một năm, tuy vậy một thuật ngữ khác, mức độ xâm nhập tức thời (instantaneous penetration level) là một yếu tố nhiều khi còn quan trọng hơn, được dùng để đánh giá độ ổn định của HTĐ khi sự tham gia của NLTT tăng cao. Định nghĩa mức độ xâm nhập (sản lượng hàng năm (MWh) từ nguồn NLTT) % mức độ xâm nhập hàng năm = x 100% (sản lượng hàng năm (MWh)) (công suất tức thời (MW) từ nguồn NLTT) % mức độ xâm nhập tức thời = x 100%, ở một (tổng công suất tức thời (MW)) thời điểm nhất định  BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 1
Ví dụ, Ireland hiện giới hạn mức xâm iii/. Độ ổn định của lưới (tần số và điện nhập tức thời nhiều nhất đến 55%, và NLTT áp): vấn đề này đã được giới thiệu trong [11], đang cung cấp khoảng 13% sản lượng điện và các nguồn gốc và bản chất vật lí với các hàng năm ở Châu Âu và 5% ở Hoa Kỳ. Do đáp ứng động học của HTĐ trong trạng thái đó, trong bối cảnh các nhà máy điện (NMĐ) quá độ sẽ được phân tích đầy đủ hơn trong công suất lớn với công nghệ năng lượng bài báo này. tái tạo (NMĐ NLTT) phát triển ngày càng Phần 01 của bài báo sẽ trình bày vấn đề nhanh, và tỉ lệ xâm nhập ngày càng cao một chung về ổn định của lưới điện hiện hữu, chủ vấn đề thời sự được đặt ra là trong tương lai yếu về các thuộc tính vật lí khi vận hành hệ các hệ thống điện (HTĐ) sẽ phải có những thống điện hiện hữu, và các thay đổi về các thay đổi và đặc điểm ra sao để có thể thích bản chất vật lí này khi đưa vào các công nghệ ứng với hoàn cảnh mới. mới của nguồn phát năng lượng tái tạo dần 2. TÁC ĐỘNG CỦA MỨC XÂM NHẬP chiếm ưu thế trong điều kiện độ xâm nhập NLTT CAO TRÊN LƯỚI cao của các nhà máy phát từ năng lượng tái tạo trong hệ thống điện tương lai, Phần 02 Ba vấn đề chính liên quan đến việc xâm sẽ trình bày các chi tiết về khả năng ổn định nhập cao của nguồn phát NLMT trong lưới trong điều kiện trên, các vấn đề về bảo vệ hệ phân phối: thống, từ các giải pháp được đề nghị. Bài viết i/. Khả năng hướng chảy của dòng công chủ yếu dựa vào các tài liệu trong bài báo suất bị đảo chiều trong hệ thống phân phối: “Achieving A 100% Renewable Grid-Operating tình hình phân bố công suất sẽ rất thay đổi Electric Power Systems with Extremely High trong các hệ thống phân phối hiện hữu khi Levels of Variable Renewable Energy”, IEEE tại điểm đấu nối công suất phát ra bởi NMĐ Power& Energy Magazine, Mar/Apr 2017 NLTT vượt quá nhu cầu phụ tải, dòng công của các tác giả Benjamin Kroposki, Brian suất chảy ngược sẽ xảy ra và điện áp có xu Johnson, Yingchen Zhang, Vahan Gevorgian, hướng tăng cao tại các bus. Điều này dẫn đến Paul Denholm, Bri-Mathias Hodge, Bryan việc vi phạm dãi điện áp cho phép ±10% điện Hannegan [2], cũng như [3]. áp danh định, hay điện áp tại các bus vượt ra 3. TÍNH BIẾN THIÊN (VARIABILITY) ngoài dãi < 5% giá trị trung bình mười phút VÀ BẤT ĐỊNH (UNCERTAINTY) CỦA của trị hiệu dụng điện áp, tính trong một NLTT tuần (tiêu chuẩn chất lượng điện Châu Âu EN 50160). Điểm khác biệt cơ bản giữa các NMĐ truyền thống (nhiệt điện, nguyên tử) với NMĐ NLTT ii/. Phân bố dòng công suất có thể đảo (năng lượng gió và mặt trời) là NMĐ NLTT có chiều trong hệ thống truyền tải: dòng công công suất phát thay đổi và không chắc chắn, tùy suất chảy ngược trong hệ thống phân phối có rất lớn vào điều kiện thời tiết địa phương. Về thể tác động đến phân bố công suất trong hệ phương diện vận hành HTĐ, việc điều độ các thống truyền tải khiến vi phạm khả năng tải MĐ thông thường, như nhà máy chạy than và trên một số các đường dây. khí đốt, là khả thi do dễ dàng thay đổi công suất Hai vấn đề mang tính xác lập này đã được đầu ra (tăng, giảm) để đáp ứng nhu cầu phụ tải trình bày trong [10], với các chi tiết trong bài thay đổi. Khi phần trăm (%) mức xâm nhập của toán điển hình của mạch điện IEEE 9 bus, NLTT tăng lên, điều này đòi hỏi HTĐ phải có với các nhận xét mang tính mở rộng và khái tính linh động trong công suất phát, trong khi quát hóa. đó công suất phát của các nhà máy điện mặt  2 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020
trời (NMĐMT) lại thay đổi rất nhiều trong ngày và hoàn toàn không còn vào buổi tối (đối với NMĐ công nghệ quang điện). Điều này làm cho công suất phát các NMĐMT có liên quan chặt chẻ với nhau, cùng với sản lượng lớn năng lượng phát ra trong một khung thời gian tương đối hẹp, và việc này dẫn đến sự thay đổi lớn của công suất phát trong HTĐ vào chiều tối. Hình 1. Cắt giảm công suất phát (curtailment) từ các nguồn NLTT trong các ngày khi Năng lượng gió cũng có HTĐ vận hành với 80% mức xâm nhập NLTT tính thay đổi trong một chu Hình 1 về một nghiên cứu tương lai của các nguồn NLTT kì ngày đêm, mặc dù với mức [2], cho thấy việc điều độ các nguồn phát khác nhau trong tuần thay đổi ít hơn so với Năng trong điều kiện mức phụ tải thấp và mức 80% xâm nhập của lượng mặt trời. Tại nhiều địa NLTT. Trong những thời điểm khi công suất phát của cả NLG điểm của nhà máy điện gió và NLMT tăng vọt, việc cắt giảm sản lượng phát là kinh tế, tuy (NMĐG), nhiều năng lượng vậy quyết định cắt giảm này phụ thuộc vào nhiều thông số, kể gió hơn thường được sản xuất cả khả năng đáp ứng của các NMĐ còn lại trong HTĐ. Dầu vào ban đêm so với ban ngày. rằng mức xâm nhập cao của NLTT đặt ra những thách thức Khi điều kiện thời tiết trong lớn, hiện nay và tương lai có nhiều giải pháp có thể giải quyết khu vực địa lý có sự thay đổi những thách thức này. Các giải pháp này bao gồm san phẳng lớn trên diện rộng cũng có sản lượng điện phát từ các NMĐ NLTT qua việc bố trí các thể tạo ra mức tăng sản lượng NMĐ trên các vị trí địa lí khác nhau. Một giải pháp khác là điện của năng lượng gió. Nhìn nâng cấp hệ thống truyền tải để có thể chuyển vận một lượng chung, các mức tăng sản lượng năng lượng lớn, từ các khu vực đặt các NMĐ NLTT đến các khu vực có nhu cầu lớn. này có xu hướng xảy ra trong nhiều giờ khi điều kiện về Công nghệ tích trữ năng lượng là công nghệ cho phép dịch địa lý có sự đa dạng trong tài chuyển về mặt thời gian đối với sản lượng NLTT phát ra. Công nguyên năng lượng gió (NLG). nghệ này giúp chuyển dịch NLG và NLMT ở những thời điểm, mà lẽ ra cần phải cắt giảm khi đó, sang những thời điểm khi Ngoài ra, do các nguồn NLTT tải cần đến, khi nguồn phát NLTT thấp hơn nhu cầu. Có thể có sự trùng hợp về thời gian, thực hiện các giải pháp dịch chuyển thời gian này qua các công có thể ở những thời điểm nhất nghệ tích trữ năng lượng khác nhau, như các NMĐ tích năng, định sản lượng phát lại lớn hệ thống tích trữ dùng khí nến, hoặc hệ thống bình ắcqui dung hơn nhiều so với nhu cầu, khi lượng lớn. Một công nghệ khác, công nghệ nhu cầu- đáp ứng đó việc cắt giảm sản lượng từ (demand- response technology) đóng vai trò tương tự bằng cách các NMĐ NLTT là cần thiết dịch chuyển nhu cầu của phụ tải sao cho trùng với thời điểm về mặt kinh tế và ổn đinh hệ phát điện của nguồn NLTT, hay giảm thiểu các qui định về thống. mức tăng của các nguồn phát. Tương tự, một số loại phụ tải  BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 3
 mới, như tải sạc điện cho các xe hơi điện, cũng generator-dominated system). đóng vai trò tương tự. Một công nghệ tiên tiến 4. LƯỚI ĐIỆN LÀM VIỆC VỚI MPBT khác hỗ trợ việc sử dụng hiệu quả các nguồn phát là dự báo nhu cầu phụ tải và dự báo sản Lưới điện làm việc chủ yếu với MPBT lượng phát từ NLTT. Việc dự báo chính xác (inverter-dominated grids) là một khái niệm giúp giảm thiểu tính không chắc chắn của sản mới của HTĐ tương lai. Thật vậy, có thể thấy lượng phát từ các nguồn NLTT hay phụ tải, và HTĐ hiện tại với các NMĐ công suất lớn sẽ đảm bảo HTĐ (gồm các NMĐ truyền thống, (NMĐ hạt nhân, NM nhiệt điện, NM thủy các trạm tích trữ năng lượng, và hạ tầng truyền điện) chủ yếu dùng các MPĐB kết nối với lưới tải) vận hành một cách hiệu quả hơn. điện qua các đường dây truyền tải, phân phối cung cấp năng lượng điện đến phụ tải. Điều Một vấn đề khác xuất hiện khi ngày càng khác biệt chính yếu giữa HTĐ truyền thống có nhiều nguồn NLTT được huy động và tích với HTĐ tương lai với mức xâm nhập cao của hợp vào HTĐ. Khác với HTĐ hiện hữu với NLTT là sự hiện diện của MPBT (trừ trường các NMĐ làm việc chủ yếu với các máy phát hợp NMĐMT kiểu tập trung, concentrating đồng bộ (MPĐB), lưới điện tương lai sẽ phân solar power plants), là các thiết bị điện tử công tán hơn và bao gồm nhiều máy phát kiểu biến suất chủ yếu sẽ đóng vai trò biến đổi điện năng tần (MPBT, inverter-based generator). Tổng ở điện áp một chiều thành xoay chiều và đấu quát, các nguồn NLTT thường dùng biến tần nối với lưới điện. để đấu nối với lưới điện, thay vì MPĐB, và với mức xâm nhập tức thời 50% trở lên của NLTT, HTĐ lúc bấy giờ được xem như lưới điện biến tần (inverter-dominated grid). Các nghiên cứu [3,4 ] cho thấy các lưới điện tương lai sẽ có số giờ vận hành trong năm với tỉ lệ nguồn phát sử dụng MPBT nhiều hơn từ MPĐB. Hình 2 biểu diễn đường cong mức xâm nhập tức thời giữa các vùng ở Hoa Kì với kịch bản 80% mức xâm nhập NLTT theo điều kiện giới hạn công suất truyền tải. Trên Hình 2 cũng thấy HTĐ bang Texas (ERCOT, Electric Reliability Council of Texas) làm việc chủ yếu với các MPBT với tỉ lệ 59% của công suất phát đến từ NLTT. Với cùng kịch bản như trên, Hình 2 cũng cho thấy tỉ lệ của công suất phát NLTT so với công suất phụ Hình 2. Đường cong mức xâm nhập tức thời NLTT của HTĐ tải. Các đường nét đậm biểu diễn số giờ khi bang Texas (ERCOT) với kịch bản 80% mức xâm nhập NLTT theo điều kiện giới hạn công suất truyền tải. HTĐ vận hành với tỉ lệ hơn 50% từ NLTT, và trong vài trường hợp với tỉ lệ lên đến 100%, khi Mặc dù một số NMĐ NLG sử dụng nhiều xuất sản lượng thừa cho các bang khác. Với các tầng chuyển đổi ac-dc và dc-ac trước khi đấu kịch bản phát NLTT cao như trên, HTĐ vận nối với lưới, cần tập trung vào tầng cuối cùng hành trong nhiều giờ chủ yếu với MPBT, và biến đổi dc thành ac tương thích lưới, vì đó trong các khung giờ khác trong ngày sẽ chuyển là mạch tương tác trực tiếp với hệ thống điện qua lại, luân phiên giữa tình trạng vận hành xoay chiều trong lưới điện tương lai, khi mà chủ yếu với MPBT (inverter-dominated system) MPBT có thể chiếm hơn 50% công suất định và vận hành chủ yếu với MPĐB (synchronous mức phát ra của HTĐ ở một thời điểm bất kì,  4 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020
 khi đó HTĐ được xem như một HT làm việc mức dư thừa hay thiếu hụt năng lượng trong chủ yếu với MPBT. HTĐ. Mặt khác, tổng lượng quán tính trong Các máy phát đồng bộ trong NMĐ thông hệ thống (tổng khối lượng của tất cả máy thường là các thiết bị quay cơ-điện với phần quay nối kết) tỷ lệ thuận với khả năng của đứng yên (stato) và phần quay (rôto) tạo ra từ một hệ thống hấp thụ các biến thiên trên các trường quay cảm ứng một điện áp trong dây tải và của nguồn NLTT, và giá trị của độ lệch quấn stato, quá trình biến đổi năng lượng cơ- tần số tỷ lệ nghịch với tổng quán tính trong điện này tạo ra điện áp xoay chiều với tần số hệ thống. Vì lẽ đó, dễ dàng có nhận xét là một công nghiệp (50 Hz hoặc 60 Hz). Trong hơn hệ thống với tổng lượng quán tính quay thấp một thế kỷ cho đến nay, chính các MPĐB đã bản chất sẽ đồng nghĩa với việc dễ dàng bị quyết định các đặc điểm cho việc qui hoạch, ảnh hưởng nhiều hơn do các nhiễu loạn, và vận hành HTĐ hiện tại. Trong hệ thống này, khi đó độ lệch tần số sẽ có biên độ lớn hơn. một khi các MPĐB được đồng bộ với lưới Một yếu tố quan trọng khác quyết định công suất tác dụng của máy được điều khiển hành vi động học của các HTĐ hiện hữu là qua việc điều khiển moment trên trục máy, moment đồng bộ hóa hình thành bởi các và công suất phản kháng được điều khiển qua MPĐB. Moment đồng bộ hóa cùng với quán việc điều khiển dòng kích từ. Nhằm đảm bảo tính quay có vai trò quyết định trong việc xác độ tin cậy của HTĐ nối kết, tần số và điện định đáp ứng ban đầu của tốc độ rôto MPĐB, áp hệ thống được điều chỉnh chặt chẽ thông ngay sau một sự cố xảy ra trên lưới điện. qua kết hợp các bộ điều khiển vòng kín hoạt Thông qua thành phần moment đồng bộ hóa động nhanh tại mỗi máy (bộ điều khiển điều TSYN (synchronizing torque) (tỉ lệ với góc tốc- speed governor control- đảm bảo giữ rôto δb của MPĐB) và thành phần moment tần số trong qui định) và bộ điều khiển máy cản dịu TD (damping torque) (tỉ lệ với vận phát (automatic generator control, AGC) tác tốc góc rôto dδb/dt của MPĐB) của moment động chậm hơn, điều khiển kiểu tập trung, điện từ TE, công suất tác dụng bơm vào HTĐ mà nhân viên vận hành hệ thống sử dụng bởi MPĐB sẽ có tác dụng duy trì tính đồng để khôi phục tần số hệ thống về giá trị danh bộ và làm tắt dần các dao dộng cơ học trong định. Tần số và điện áp là các thông số chính hệ thống. yếu được quy định trong hệ thống và là các Hình 3 trình bày mô hình đơn giản của mục tiêu điều khiển của HTĐ. MPĐB G tại bus điện áp Vs nối kết qua đường Từ quan điểm vật lý, hệ thống tuabin và dây với điện kháng jXe với bus điện áp Vb các bộ phận quay bên trong mỗi MPĐB đều của lưới điện công suất vô cùng lớn. Phương có quán tính cơ học, và như vậy có khả năng trình vi phân mô tả hành vi động học của góc tích trữ động năng trong các khối quay. Khi rôto δb, trong điều kiện ổn định góc nhỏ cho xuất hiện sự cố và nhiễu loạn trong HTĐ, các bởi [1] phương trình vi phân như sau: khối quay này có thể hoặc hấp thu hoặc cung cấp năng lượng, điều này giúp hệ thống nối kết có thể vượt qua các dao động khi có khác biệt giữa công suất phát và công suất phụ tải. Cụ thể, tần số hệ thống sẽ tăng (hay giảm) khi công suất phát lớn hơn (hay nhỏ hơn) công suất đưa vào (hay lấy ra) từ khối quay; điều này cũng có nghĩa mức tăng (giảm) Hình 3. MPĐB G nối kết qua đường dây với lưới điện vô cùng của tần số khỏi tần số định mức phản ánh lớn  BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 5
d2 δb  Từ quan hệ gia tốc và tổng moment dt2 (TM+ TE) tác động vào khối quay, với TE= TSYNC+TD (1) Trong điều kiện các dao động nhỏ góc rôto Δδb quanh điểm cân bằng δbo , phương trình trên thành: Hình 4. Dao động nhỏ của góc rôto MPĐB trong điều kiện làm (2) việc ổn định và mất ổn định sau nhiễu loạn trên hệ thống Hình 5 mô tả tình huống hệ thống không (3) ổn định, góc rôto dao động với biên độ tăng Với toán tử p= d/dt, δb= δbo + Δδb, dần và cuối cùng rôto rơi vào trạng thái mất bước (machine looses step), nói cách khác TE= TE+ ΔTE, TM= TM+ ΔTM MPĐB mất đồng bộ hoàn toàn (pull out of M = 2H synchronism). ωb = 2πfb D (d(Δδb)) ΔTE = K1Δδb + ωb dt ΔTM = K1Δδb δb, góc rôto, là góc lệch giữa trục dọc d của cực từ rôto và trục dọc d của cực từ trường quay của dây quấn stato fb, tần số lưới điện t, thời gian TM, moment cơ học (đơn vị tương đối) TE, moment điện từ (đơn vị tương đối) H, quán tính của khối quay, bao gồm quán tính quay của rôto MPĐB và của rôto Hình 5. Hệ thống không ổn định, góc rôto dao động với biên độ tăng dần và MPĐB mất đồng bộ động cơ sơ cấp K1, hệ số moment đồng bộ hóa Hình 6 cho thấy quá trình dao động của góc rôto MPĐB sau tác động nhiễu loạn khi D, hệ số moment cản dịu có sự cố nghiêm trọng trên lưới điện. Trong Hình 4 mô tả quá trình dao động nhỏ của tình huống hệ thống ổn định Hình 6.(a), góc góc rôto MPĐB sau tác động của nhiễu loạn rôto sẽ có giá trị ổn định mới, sau các dao biên độ nhỏ do sự cố trên lưới điện. Trong động khá lớn với biên độ tắt dần, và trong tình huống hệ thống ổn định, góc rôto quay một tình huống tồi tệ khác trên Hình 6.(b) về giá trị góc của rôto trước sự cố, và trong góc rôto có dao động biên độ giảm sau vài dao tình huống hệ thống mất ổn định góc rôto động, nhưng rồi lại tăng mạnh sau đó, khiến tăng dần. hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định.  6 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020
 III, với dây quấn roto nối với lưới qua các vành trượt và MPBT. MPĐ NLG kiểu MPĐB (Full- Size Synchronous Generator) loại IV biến đổi toàn bộ công suất phát từ ac thành dc, và sau đó từ dc thành ac với điện áp và tần số phù hợp để đấu nối với lưới điện. Năng lượng điện dc sản xuất từ NMĐ MT thông qua MPBT để chuyển đổi dc thành ac với điện áp và tần số phù hợp để đấu nối với lưới điện. Trong lưới điện tương lai với mức xâm nhập NLTT cao, các nhà máy tích trữ năng lượng (với công nghệ acqui, pin nhiên liệu), với vai trò cân bằng năng lượng trong HTĐ, cũng sử dụng MPBT để đấu nối với lưới điện. Vì thế, trong bất cứ hệ thống NMĐ NLTT nào có sử dụng MPBT, luôn cần đến bộ điều Hình 6. Quá trình dao động của góc rôto MPĐB sau tác động nhiễu loạn khi có sự cố nghiêm trọng trên lưới điện. khiển vòng kín để điều chỉnh dòng công suất từ nguồn phát dc, thông qua kĩ thuật biến đổi điện Có thể nói rằng trong HTĐ hiện hữu, chính tử công suất để đấu nối với lưới điện. là nhờ vào quán tính quay lớn, cùng khả năng Trong các bộ điều khiển số các đo lường moment đồng bộ hóa cao, cùng các bộ điều theo thời gian thực được xử lí và các chương khiển tác động nhanh đã giúp giảm thiểu các trình điều khiển được lập trình và thực thi theo tác động tiêu cực bất cứ khi nào trong hệ thống yêu cầu của người vận hành. Điều quan trọng xuất hiện sự mất cân bằng về công suất phát và nhất trong các bộ điều khiển này là đặc tính công suất phụ tải (công suất tác dụng và phản các chiến lược điều khiển, chứ không phải bản kháng). Rõ ràng, đặc tính quan trọng và là bản chất vật lí của MPBT, sẽ quyết định tính chất chất của các HTĐ hiện hữu sẽ bị ảnh hưởng rất động học của MPBT khi có sự cố và cách thức lớn và thay đổi nghiêm trọng một khi mức xâm MPBT sẽ đáp ứng với lưới điện ac. Nói một nhập của NLTT với công nghệ MPBT vào HTĐ cách khác, đáp ứng vật lí của MPBT hoàn toàn tăng dần. được quyết định bởi chương trình điều khiển Ngược lại, công nghệ sản xuất điện năng từ được lập trình. Điều này vô cùng khác biệt với NLTT về cơ bản sử dụng các công nghệ hoàn các MPĐB, trong đó bản chất vật lí của máy, toàn khác biệt, trong việc biến đổi năng lượng như quán tính của các bộ phận quay, các thông và đấu nối với lưới điện. Qua trung gian MPBT số điện từ sẽ quyết định các đặc tính quá độ các nguồn NLTT được đấu nối với vào HTĐ. của chúng. Để làm rõ sự khác biệt cơ bản giữa Rất khác với các MPĐB truyền thống, MPBT MPĐB và MPBT, thường dùng thuật ngữ thiết với công nghệ vật liệu bán dẫn, hoàn toàn không bị không quán tính (zero-inertia machine) cho có các cơ phận quay, biến đổi dòng dc thành ac MPBT, do đáp ứng của chúng hoàn toàn phụ và quản lí dòng công suất qua việc điều khiển thuộc vào chiến lược của chương trình điều các khóa đóng cắt bán dẫn theo thời gian. Do khiển và không có bất kì bộ phận quay nào. đó, dễ thấy về bản chất vật lí MPBT hoàn toàn Nhìn chung, phân loại bộ điều khiển khác với các hiện tượng vật lí mô tả ở máy điện MPBT theo: bộ điều khiển bám theo lưới (grid quay như trên. following inverter controller) hoặc bộ điều Trong công nghệ MPĐ NLG kiểu nguồn kép khiển tạo lưới (grid forming inverter controller). DFIG (Doubly Fed Induction Generator) loại Các bộ điều khiển bám theo lưới hiện là loại BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 7
phổ biến nhất hiện nay, phổ biến trong các MPBT quang điện và MBT điện gió. Các bộ điều khiển chủ yếu dùng mạch vòng khóa pha (phase-locked loop) để ước lượng góc pha tức thời của điện lưới hình sin tại điểm đấu nối của MPBT với lưới điện. Sau đó, mạch sẽ tạo ra và bơm một dòngđược điều khiển vào lưới, với tính chất dòng này bám theo điện áp lưới. Bản chất của MPBT với bộ điều khiển bám theo lưới là làm việc như một nguồn dòng và “bám theo” điện áp tại đểm đấu nối. Hạn chế của MPBT với bộ điều khiển kiểu này là dựa trên giả định điện áp ac tại điểm đấu nối có biên độ và tần số không Hình 7. Tình hình của lưới điện hiện nay (bên trái) chủ yếu làm việc với MPĐB với quán tính quay trong hệ thống rất lớn, và lưới điện tương lai (bên phải) khi mức xâm đổi (cứng, stiff ac voltage). Trong nhập của NLTT ngày càng cao, khi đó các MPĐB dần được thay thế và HTĐ sẽ chủ thực tế, điều này cũng có nghĩa yếu làm việc với MPBT. xem toàn bộ đáp ứng của hệ thống, các MPĐB, các bộ điều Khi đó, HTĐ tương lai làm việc chủ yếu với MPBT với khiển đi kèm, các thiết bị điều đặc tính không quán tính và sử dụng bộ điều khiển bám chỉnh trên lưới làm việc trong theo lưới, và MPBT này làm việc như nguồn dòng và bám điều kiện điện áp và tần số theo điện áp lưới. Rõ ràng, lưới điện tương lai khó có thể thương đối ổn định tại bất kí làm việc bình thường được trong điều kiện với các MPBT điểm nút nào trong lưới. Trên kiểu điều khiển bám theo lưới. Hình 7 có thể thấy giả thiết này Nhằm khắc phục nhược điểm trên, một thế hệ biến tần tương đối hợp lí đến nay, vì thực mới loại điều khiển tạo lưới dần được phát triển để thích tế các công suất các NMĐ NLTT ứng làm việc với hạ tầng điện sử dụng MBT, với khả năng với MPBT theo kiểu điều khiển điều chỉnh điện áp và tần số qua việc điều khiển phi tập bám theo vẫn còn tương đối nhỏ trung và tại chỗ (local de-centralized control). Trước khi so với công suất của các MPĐB, xem xét các đặc tính cần có của thế hệ biến tần mới này, cần mà hiện nay đang đóng vai trò xem xét các thách thức kĩ thuật phải giải quyết. Đầu tiên chính trong điều khiển điện áp , MBT thế hệ mới này sẽ dần được đưa vào làm việc trên và tần số của HTĐ hiện hữu. lưới điện, cùng với việc tỉ lệ NLTT xâm nhập ngày càng cao Tuy nhiên, tình hình sẽ thay vào lưới điện trong nhiều năm, nhiều thập kỉ tới, song song đổi ra sao khi trong HTĐ mức với việc thay thế dần các MPĐB. Ngoài ra, do các MPBT xâm nhập của NMĐ NLTT ngày có phạm vi công suất định mức nhỏ hơn nhiều lần so với càng cao, với số lượng MPBT các MPĐB, điều này có nghĩa phụ tải trong hạ tầng mới ngày càng nhiều trong lưới điện của lưới điện làm việc với MBT cần làm việc với số lượng tương lai? MPBT rất lớn trong lưới điện. Đối với các lưới điện lớn,  8 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020
điều này cũng có nghĩa số lượng có thể lên - Khả năng bảo đảm chất lượng điện, đến hàng triệu các MPBT sẽ được vận hành ngoài việc điều khiển công suất tác dụng và trong một phạm vi địa lí rộng lớn. phản kháng. Xét đến các đặc điểm trên, các bộ điều Để thực hiện được các mục tiêu trên khiển tạo lưới phải có các đặc tính sau: một phương cách khả thi là điều khiển dộ - Khả năng tương thích với HTĐ hiện dốc (droop control) tương tự như điều khiển hữu và liền mạch với HTĐ phát triển dần MPĐB bằng cách lập trình mối quan hệ tuyến trong tương lai theo Hình 2. tính giữa công suất tác dụng, công suất phản kháng theo giá trị tần số và điện áp. Tuy vậy, - Do hệ thống vận hành với tập hợp do việc tính toán tương đối chậm các giá trị từ rất nhiều MPBT được phân bố phân tán công suất tác dụng, công suất phản kháng, các trên các địa lí rộng lớn cần sử dụng phương MPBT điều khiển độ dốc (droop-controlled án điều khiển phân tán, và việc điều khiển inverters) có nhược điểm là đáp ứng chậm nhanh theo thời gian không cần đến kĩ thuật trong các quá độ. Hiện nay, đang phát triển truyền thông. các phương pháp điều khiển với tên gọi máy - Khả năng làm việc tin cậy, lâu dài đồng bộ ảo hay máy quán tính ảo (virtual trong một tương lai mà MPĐB có thể sẽ synchronous, virtual inertia machines) với không còn hiện diện trong HTĐ. khả năng mô phỏng các hiện tượng vật lí của các MPĐB./ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. T.A. Lipo,” Analysis of Synchronous Machines”, CRC Press, Second Edition 2012, ISBN-13: 978-1439880678, ISBN-10: 1439880670. [2]. Benjamin Kroposki, Brian Johnson, Yingchen Zhang, Vahan Gevorgian, Paul Denholm, Bri-Mathias Hodge, and Bryan Hannegan, “Achieving A 100% Renewable Grid- Operating Electric Power Systems with Extremely High Levels of Variable Renewable Energy”, IEEE Power& Energy Magazine, Mar/ Ar 2017, pp. 61- 73. [3]. Jan von Appen, Martin Braun, Thomas Stetz, Konrad Diwold, and Dominik Geibel, “Time in the Sun The Challenge of High PV Penetration in the German Electric Grid”, IEEE Power& Energy Magazine, Mar/Apr 2013, pp. 55- 64. [4]. M. M. Hand, S. Baldwin, E. DeMeo, J. Reilly, T. Mai, D. Arent, G. Porro, M. Meshek, and D. Sandor, “Renewable Electricity Futures Study”, NREL, Golden, CO, Tech. Rep., NREL/TP-6A20-52409, June 2012. [5]. P. Denholm and R. Margolis, “Energy Storage Requirements for Achieving 50% Solar Photovoltaic Energy Penetration in California” , NREL, Golden, CO, NREL/TP-6A20-66595, Aug. 2016. [6]. J. Taylor, S. Dhople, and D. Calloway, “Power Systems without Fuel,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 57, pp. 1322–1336, May 2016. [7]. J. O’Sullivan, Y. Coughlan, S. Rourke, and N. Kamaluddin, “Achieving The Highest Levels of Wind Integration: A System Operators Perspective”, IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 3, no. 4, pp. 819–825, Oct. 2012. [8]. V. Gevorgian, Y. Zhang, and E. Ela, “Investigating The Impacts of Wind Generation Participation in Interconnection Frequency Response”, IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 6, no. 3, pp. 1004–1012, July 2015. [9]. D. Ramasubramanian, V. Vittal, and J. Undrill, “Transient Stability Analysis of An All Converter Interfaced Generation WECC System” , Proc. Power System Computation Conf., Genoa, Italy, 2016. [10]. Nguyễn Hữu Phúc, “Tác Động của Mức Xâm Nhập Cao của các Nhà Máy Điện Mặt Trời Kĩ Thuật Quang Điện lên Lưới Điện- Phần 01”, Bản Tin Hội Điện Lực Miền Nam SEEA, Số 26 (10.2019), pp. 01-07. [11]. Nguyễn Hữu Phúc, “Tác Động của Mức Xâm Nhập Cao của các Nhà Máy Điện Mặt Trời Kĩ Thuật Quang Điện lên Lưới Điện- Phần 02”, Bản Tin Hội Điện Lực Miền Nam SEEA, Số 27 (01.2020), pp. 08-15. BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 9