Phân tích và đề xuất giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài từ các nguồn năng lượng tái tạo đến lưới điện khu vực Nam Miền Trung
Trong đề án quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kì 2021-2030 tầm nhìn đến năm 2045 (tổng sơ đồ VIII) khi ứng với kịch bản phụ tải cao thì tổng công suất đặt của các nhà máy điện gió tăng mạnh từ 0,54GW năm 2020 lên đến 19,1GW trong năm 2030; tổng công suất đặt của của các nhà máy điện mặt trời và áp mái tăng từ 16,6GW năm 2020 lên 22,1GW năm 2030.
Khu vực Nam Miền Trung gồm các tỉnh Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận và Bình Thuận. Trong đó hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận tập trung nhiều nguồn năng lượng tái tạo và gia tăng nhanh nhất trong khu vực. Với tốc độ phát triển nguồn NLTT nhanh chóng, đến giai đoạn năm 2030, khu vực này sẽ chiếm tỷ trọng nguồn NLTT cao trong cả nước.
Các nhà máy điện năng lượng tái tạo hòa lưới là một trong những nguyên nhân chính gây ra sóng hài, đặc biệt là các sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, biến dạng dòng điện và điện áp, làm tăng tổn hao công suất trong các thiết bị; các thiết bị đo, các hệ thống điều khiển có thể hoạt động không chính xác. Và nghiêm trọng hơn và có thể gây cộng hưởng giữa các bộ phận có dung kháng và cảm kháng của hệ thống gây hỏng hóc các phần tử.
Tại Việt Nam, các Thông tư do Bộ công thương ban hành quy định giá trị cực đại cho phép của tổng mức biến dạng điện áp do các thành phần sóng hài bậc cao gây ra đối với các cấp điện áp 110k, 220kV và 500kV phải nhỏ hơn hoặc bằng 3%. Đối với cấp điện áp 110kV, biến dạng riêng lẻ không vượt quá 1.5%.
Cần phải xem xét, đánh giá các chỉ tiêu về sóng hài để có những giải pháp hạn chế sóng hài trên hệ thống điện phù hợp với yêu cầu của EVN và Bộ Công Thương. Đề tài “Phân tích và đề xuất giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài từ các nguồn năng lượng tái tạo đến lưới điện khu vực Nam Miền Trung” là đề tài mang tính cấp thiết, là cơ sở để thiết kế một hệ thống điện đảm bảo chất lượng, vận hành an toàn và tin cậy.
2. MỤC ĐÍCH VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích nghiên cứu của đề tài là: Phân tích và đề xuất giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài từ các nguồn năng lượng tái tạo đến lưới điện khu vực Nam Miền Trung đặc biệt là tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện từ cấp điện áp 110kV khu vực Nam Miền Trung (tỉnh Ninh Thuận và tỉnh Bình Thuận).
Phạm vi nghiên cứu: Phân tích và đề xuất giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài đánh giá qua các chỉ số THD và các HD riêng lẻ trên các điểm đấu nối của lưới điện cấp điện áp 110kV trở lên của khu vực.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu tài liệu: cập nhật số liệu về nguồn và lưới điện khu vực Nam Miền Trung giai đoạn đến năm 2030. Thu thập và nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến vấn đề sóng hài trên hệ thống điện, các phương pháp phân tích và các giải pháp hạn chế sóng hài. Xác định tiêu chí cần đánh giá sóng hài theo yêu cầu của EVN và Bộ Công Thương.
Phương pháp xử lý thông tin: thu thập và xử lý thông tin nhằm đưa vào công cụ tính toán, qua đó xác định được các kết quả phù hợp với lý thuyết.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Thiết thực trong phân tích sóng hài để làm cơ sở đánh giá chất lượng điện năng.
Chủ động đề xuất các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài áp dụng cho thiết kế hệ thống điện truyền tải, phân phối 110kV của khu vực góp phần nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo lưới điện vận hành an toàn và tin cậy.
6. BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Nội dung của đề tài được tổ chức thành 4 chương. Bố cục của nội dung chính của luận văn gồm:
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN VÀ LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC NAM MIỀN TRUNG
CHƯƠNG 2: SÓNG HÀI CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ĐẤU NỐI VÀO LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC NAM MIỀN TRUNG
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC NAM MIỀN TRUNG
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TỔNG QUAN VỀ NGUỒN VÀ LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC NAM MIỀN TRUNG
Giới thiệu chung
Với lợi thế về mặt vị trí địa lý và điều kiện khí hậu tự nhiên, khu vực Nam Miền Trung là có tốc độ phát triển nhanh về số lượng các nhà máy NLTT như Điện gió và Điện mặt trời với quy mô lớn. Trong luận văn này khu vực Nam Miền Trung tập trung vào hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận nơi có các nguồn NLTT lớn nhất cả nước.
Hiện trạng nguồn và lưới điện khu vực Nam Miền Trung
Hiện trạng nguồn và lưới điện tỉnh Ninh Thuận
Hiện tại trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận gồm có 4 nhà máy thủy điện với tổng công suất đặt là 261MW, 12 nhà máy điện gió với công suất 705,625MW, 37 nhà máy ĐMT hòa lưới với công suất 3147MWp.
Hiện trạng nguồn và lưới điện tỉnh Bình Thuận
Hiện tại trên địa bàn tỉnh Bình Thuận gồm có có 6 nhà máy thủy điện và 4 nhà máy nhiệt điện với tổng công suất đặt là 5155,5MW, 9 nhà máy điện gió với công suất 324MW, 21 nhà máy ĐMT hòa lưới với công suất 1112MWp.
Kế hoạch phát triển nguồn và lưới điện khu vực Nam Miền Trung
Kế hoạch phát triển nguồn và lưới điện tỉnh Ninh Thuận
Tỉnh Ninh Thuận đã được bổ sung quy hoạch 6 NMĐG với tổng công suất 193,5MW và 2 NMĐMT với công suất phát 150MWp, đang trình BSQH 7 NMĐG với tổng công suất đặt 1174MW và 25 NMĐMT với tổng công suất 2154MWp.
Kế hoạch phát triển nguồn và lưới điện tỉnh Bình Thuận
Tỉnh Bình Thuận đã được bổ sung quy hoạch 22 NMĐG với tổng công suất 725MW, đang trình BSQH 9 NMĐG trên bờ với tổng công suất đặt 501,5MW, 8 NMĐG ngoài khơi với tổng công suất đặt là 22.200MW và 60 NMĐMT với tổng công suất 3.924MWp.
Kết luận chương
Khu vực Nam Miền Trung với hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận là nơi tập trung và phát triển các nhà máy NLTT lớn và nhanh nhất cả nước. Theo thống kê đến năm 2030, tổng công suất đặt của các nhà máy NLTT đã được bổ sung quy hoạch là 1.068MW và đang chờ bổ sung quy hoạch khoảng 7.752MW (chưa tính điện gió ngoài khơi với 22.200MW). Các nguồn NLTT vốn có đặc tính không ổn định, thường gây ra nhiều vấn đề trong lưới điện làm ảnh hưởng đến độ tin cậy trên lưới điện. Việc tích hợp một lượng lớn nguồn NLTT vào một khu vực có thể gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng đặc biệt là sóng hài.
SÓNG HÀI CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ĐẤU NỐI VÀO LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI
Tổng quan về sóng hài
Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn, xuất hiện dưới dạng các dòng điện hay điện áp có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp. Các dòng điện, điện áp bị biến có thể được phân tích thành tổng của sóng có tần số cơ bản và các thành phần sóng hài.
Các sóng hài bậc 3n+1 như bậc 1, 4, 7, 10, 13, 16,… thể hiện tính chất như thành phần TTT; các sóng hài bậc 3n+2 như bậc 2, 5, 8, 11, 14,… thể hiện tính chất như thành phần TTN; các sóng hài bậc 3n+3 như bậc 3, 6, 9, 12, 15,… thể hiện tính chất như TTK.
Các nguồn phát sinh sóng hài chính trong lưới điện:
Các thiết bị điện tử công suất là một trong những nguồn chính gây ra sóng hài.
Các máy biến áp khi xảy ra hiện tượng bão hòa mạch từ.
Động cơ có lõi từ khi hoạt động sinh ra các thành phần sóng hài chủ yếu là hài bậc 3.
Các thiết bị hồ quang có công suất lớn là một dạng tải phi tuyến.
Sóng hài từ các nhà máy điện gió
Tổng quan
Có hai loại máy phát chính cho turbine gió: tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi và có 4 loại cấu hình turbine khác nhau:
Loại 1: Turbine gió tốc độ cố định
Loại 2: Turbine gió tốc độ thay đổi từng phần
Loại 3: Turbine gió có tốc độ thay đổi với bộ chuyển đổi tỷ lệ riêng phần
Loại 4: Turbine gió tốc độ thay đổi với bộ chuyển đổi tỷ lệ toàn phần.
Đối với turbine gió loại 4 sử dụng công nghệ Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) với ưu điểm thay đổi được tốc độ vận hành trên toàn bộ dải tốc độ, công suất được khai thác tối ưu bất kể tốc độ gió do sử dụng bộ chuyển đổi công suất toàn phần, có thể không sử dụng hộp số nên khó hỏng hóc, bảo trì bảo dưỡng. So với loại 3 thì tuabine gió loại 4 có nhiều lợi ích hơn nên trong các dự án tuabine gió loại 4 vẫn được ưa chuộng hơn.
Nguồn gây sóng hài
Xét về mặt cấu tạo, turbine gió loại 4 có bộ chuyển đổi công suất toàn phần kiểu back to back, thường sử dụng các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu 6 xung hoặc 12 xung bằng thiết bị điện tử công suất. Chính những thiết bị này là nguyên nhân gây ra sóng hài khi đấu nối các nhà máy này vào trong lưới điện.
Bộ chuyển đổi 12 xung trong quá trình hoạt động dòng điện phía sơ cấp của máy biến áp ít bị biến dạng hơn so với bộ chuyển đổi 6 xung. Các bộ chuyển đổi 6 xung sẽ phát sinh các sóng hài chủ yếu ở các bậc 6n±1 như bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19,… Trong khi bộ chuyển đổi 12 xung sẽ chỉ phát sinh các sóng hài chủ yếu ở các bậc 12n±1 như bậc 11, 13, 23, 25,… Và như vậy để hạn chế phát sinh sóng hài trên lưới điện, nên ưu tiên chọn các thiết bị có công nghệ chuyển đổi nhiều xung như 12 xung, 18 xung hay 24 xung. Các turbine gió phổ biến hiện nay thường sử dụng các bộ chuyển đổi 12 xung.
Trong luận văn này tập trung khai thác nguồn sóng hài được tạo ra từ các nhà máy điện gió sử dụng turbine gió loại 4, không khảo sát các turbine gió loại 1, 2 và 3 vì lượng sóng hài tạo ra từ các turbine này rất bé.
Sóng hài từ các nhà máy điện mặt trời
Tổng quan
Các thiết bị biến tần để biến đổi dòng điện một chiều từ các tấm pin quang điện thành dòng điện xoay chiều tần số 50Hz.
Nguồn gây sóng hài
Đối với các nhà máy điện mặt trời, nguồn phát sinh sóng hài chủ yếu từ bộ nghịch lưu trong các biến tần công suất.
Luận văn chỉ tập trung vào phân tích tác động của các nhà máy điện mặt trời đấu nối vào lưới điện từ cấp 110kV, bỏ qua tác động của điện mặt trời mái nhà ở cấp trung và hạ áp.
Các tiêu chuẩn, yêu cầu về sóng hài trên lưới điện
Theo các Thông tư 25/2016/TT-BCT, 39/2015/TT-BCT và 30/2019/TT-BCT, hai chỉ số để đánh giá độ biến dạng sóng hài là Tổng biến dạng sóng hài điện áp (Total Harmonic Distortion – THD) và Tổng biến dạng sóng hài dòng điện (Total Demand Distortion – TDD). Các giá trị cực đại cho phép của THD do các thành phần sóng hài bậc cao gây ra đối với các cấp điện áp 110k, 220kV và 500kV phải nhỏ hơn hoặc bằng 3%. Đối với cấp điện áp 110kV, biến dạng riêng lẻ không vượt quá 1.5% và được tính bằng công thức:
Ảnh hưởng của sóng hài và các biện pháp hạn chế
Sóng hài và hiện tượng cộng hưởng
Việc lắp đặt các bộ tụ để bù công suất phản kháng trong hệ thống chính là một yếu tố góp phần tạo ra hiện tượng cộng hưởng sóng hài. Hiện tượng cộng hưởng sóng hài mang tính chất cục bộ và có thể gây ra quá tải các bộ tụ. Có hai loại cộng hưởng sóng hài là cộng hưởng song song và cộng hưởng nối tiếp.
Cộng hưởng song song:
Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng song song thì dòng điện hài chạy vào các bộ tụ và hệ thống tăng lên gây quá tải các bộ tụ.
Cộng hưởng nối tiếp:
Tại tần số cộng hưởng của mạch RLC thì tổng trở tương đương của máy biến áp và tụ bù rất nhỏ, do đó hầu hết sóng hài sẽ chạy vào khu vực này, gây quá tải các bộ tụ.
Ảnh hưởng của sóng hài
Sóng hài có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm tại một tần số sóng hài nào đó dẫn đến quá điện áp. Sóng hài gây ra quá tải các bộ tụ dẫn đến hư hỏng các thiết bị này. Sóng hài làm các thiết bị đo và thiết bị bảo vệ hoạt động không chính xác. Sóng hài làm tăng tổn hao máy biến áp, rung động cơ, già hóa cách điện và làm giảm tuổi thọ các thiết bị. Sóng hài có thể gây quá tải dây pha và dây trung tính.
Các biện pháp hạn chế sóng hài
Hiện tượng tự loại trừ sóng hài
Sóng hài có bậc 3n mang tính chất như thành phần TTK bị giữ lại trong các cuộn đấu ∆ nên sẽ không lan truyền lên cấp điện áp cao hơn trong mạng lưới truyền tải. Mặc khác, các sóng hài TTT và TTN khi chạy qua các MBA sẽ bị dịch pha khác nhau, một số sóng hài khi bị lệch pha ngược nhau sẽ tự triệt tiêu lẫn nhau làm giảm độ biến của sóng hài. Giải pháp này áp dụng trong các chỉnh lưu 12 xung, 18 xung và 24 xung,…
Sử dụng các bộ lọc sóng hài thụ động
Các bộ lọc sóng hài ngoài chức năng giảm hàm lượng sóng hài còn cho phép bù công suất phản kháng cho lưới điện và phụ tải. Các bộ lọc sóng hài có giá tiền thích hợp và dễ bảo dưỡng sửa chữa, do vậy được sử dụng phổ biến hơn.
Bộ lọc thụ động LC bù ngang được thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hưởng. Bộ lọc được điều chỉnh cộng hưởng với một tần số nào đó, khi đó bộ lọc sẽ trở thành đường dẫn trở kháng thấp cho những sóng hài nhất định.
- Tính toán thông số cho các bộ lọc sóng hài thụ động
- Các loại bộ lọc thụ động phổ biến
Hình 2.1: Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến
- Tham số tính toán cho bộ lọc cộng hưởng đơn
- Lựa chọn hệ số chất lượng Q cho bộ lọc:
Hệ số chất lượng Q liên quan tới khả năng của bộ lọc để hấp thụ năng lượng tại tần số cộng hưởng, quyết định mức độ hẹp hay mở rộng của đặc tính tổng trở. Bộ lọc có giá trị Q lớn (50÷100) sẽ có tổng trở biến đổi nhanh khi tần số lệch khỏi tần số cộng hưởng; ngược lại bộ lọc có hệ số Q thấp (0,5÷5,5) sẽ có tổng trở biến đổi ít trong một dải tần số lân cận tần số cộng hưởng.
- Lựa chọn tần số cộng hưởng cho bộ lọc:
Tần số cộng hưởng của bộ lọc thường được chọn thấp hơn tần số sóng hài để dịch chuyển tần số cộng hưởng song ra ngoài lân cận tần số sóng hài, tránh cộng hưởng gây quá điện áp, giảm chi phí thiết kế bộ tụ với dung lượng lớn không cần thiết.
Thông thường tần số cộng hưởng của bộ lọc được chọn thấp hơn so với tần số sóng hài từ 3% ÷ 5% để đảm bảo bộ lọc có khả năng loại trừ sóng hài trong khi vẫn tránh được hiện tượng dịch chuyển tần số cộng hưởng do hư hỏng các phần tử tụ trong bộ lọc hay sai số chế tạo các bộ tụ điện.
Sử dụng các bộ lọc sóng hài tích cực
Sử dụng các thiết bị điện tử công suất có điều khiển để bù các điều hòa dòng điện, điện áp nhằm đạt được dạng sóng dòng điện và điện áp tải theo yêu cầu Bộ lọc hoạt động theo nguyên lý bơm sóng hài ngược pha và có độ lớn bằng độ lớn hài do tải phi tuyến sinh ra.
Kết luận chương
Sóng hài mà các nhà máy NLTT gây ra trên lưới chủ yếu đến từ bộ chuyển đổi sử dụng các thiết bị điện tử công suất. Sóng hài gây ra hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm dẫn đến quá điện áp, quá tải các bộ tụ dẫn đến hư hỏng. Sóng hài làm tổn thất trên lưới điện, làm các thiết bị hoạt động không chính xác và giảm tuổi thọ các thiết bị. Cần phải có các giải pháp lắp đặt các bộ lọc sóng hài thụ động hoặc bộ lọc sóng hài tích cực để hạn chế sóng hài trên lưới điện đảm bảo yêu cầu vận hành, góp phần nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo hệ thống điện vận hành an toàn, tin cậy.
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC NAM MIỀN TRUNG
Tổng quan về phần mềm DIgSILENT PowerFactory
Luận văn sử dụng PowerFactory 2022 để xây dựng mô hình hệ thống điện khu vực và phân tích tính toán ảnh hưởng của sóng hài bằng công cụ Power Quality and Harmonic Analysis.
Xây dựng hệ thống điện khu vực trên phần mềm
Nguồn dữ liệu của hệ thống điện trên phần mềm được xây dựng từ Quy hoạch VII điều chỉnh, Tổng sơ đồ VIII và Quy hoạch phát triển điện lực các tỉnh.
Luận văn xây dựng hệ thống điện toàn quốc năm 2030 trong DIgSILENT PowerFactory với 3080 thanh cái, 2530 đường dây, 1593 máy biến áp, 215 nhà máy điện gió, 170 nhà máy điện mặt trời.
Mô hình nhà máy điện gió
Hình 3.1: Mô hình nhà máy điện gió trong phần mềm DIgSILENT
Bảng 3.1: Số liệu độ biến dạng sóng hài theo từng bậc trong đặc tính thử nghiệm của một turbin gió loại 4 điển hình
| Bậc hài | HD (%) | Bậc hài | HD (%) | Bậc hài | HD (%) | Bậc hài | HD (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 0.25 | 15 | 0.1 | 28 | <0.1 | 41 | <0.1 |
| 3 | 0.3 | 16 | <0.1 | 29 | 0.25 | 42 | <0.1 |
| 4 | 0.4 | 17 | 0.25 | 30 | <0.1 | 43 | <0.1 |
| 5 | 2.5 | 18 | <0.1 | 31 | 0.15 | 44 | <0.1 |
| 6 | 0.35 | 19 | 0.25 | 32 | <0.1 | 45 | <0.1 |
| 7 | 1.3 | 20 | <0.1 | 33 | 0.1 | 46 | <0.1 |
| 8 | 0.15 | 21 | <0.1 | 34 | <0.1 | 47 | <0.1 |
| 9 | 0.15 | 22 | <0.1 | 35 | 0.12 | 48 | <0.1 |
| 10 | 0.15 | 23 | 0.25 | 36 | <0.1 | 49 | <0.1 |
| 11 | 1.1 | 24 | <0.1 | 37 | 0.1 | 50 | <0.1 |
| 12 | 0.1 | 25 | 0.15 | 38 | <0.1 | ||
| 13 | 0.6 | 26 | <0.1 | 39 | 0.1 | ||
| 14 | 0.1 | 27 | 0.1 | 40 | <0.1 |
Mô hình nhà máy điện mặt trời
Hình 3.2: Mô hình nhà máy điện gió trong phần mềm DIgSILENT
Bảng 3.2: Số liệu độ biến dạng sóng hài theo từng bậc trong đặc tính thử nghiệm của một biến tần trung tâm điển hình [10]
| Bậc hài | HD (%) | Bậc hài | HD (%) | Bậc hài | HD (%) | Bậc hài | HD (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 1.80 | 15 | 0.30 | 28 | 0.31 | 41 | 0.52 |
| 3 | 4.00 | 16 | 0.38 | 29 | 0.84 | 42 | 0.28 |
| 4 | 1.00 | 17 | 1.63 | 30 | 0.30 | 43 | 0.48 |
| 5 | 5.00 | 18 | 0.36 | 31 | 0.77 | 44 | 0.28 |
| 6 | 0.50 | 19 | 1.43 | 32 | 0.30 | 45 | 0.20 |
| 7 | 4.00 | 20 | 0.35 | 33 | 0.20 | 46 | 0.27 |
| 8 | 0.53 | 21 | 0.20 | 34 | 0.29 | 47 | 0.42 |
| 9 | 1.20 | 22 | 0.33 | 35 | 0.65 | 48 | 0.27 |
| 10 | 0.47 | 23 | 1.13 | 36 | 0.29 | 49 | 0.39 |
| 11 | 3.00 | 24 | 0.32 | 37 | 0.60 | 50 | 0.27 |
| 12 | 0.43 | 25 | 1.02 | 38 | 0.29 | ||
| 13 | 2.50 | 26 | 0.32 | 39 | 0.20 | ||
| 14 | 0.40 | 27 | 0.20 | 40 | 0.28 |
Phương pháp tính toán sóng hài trên lưới điện bằng phần mềm
Thu thập các dữ liệu và nguồn và lưới điện, quy hoạch phát triển điện lực đến giai đoạn năm 2030. Từ đó xây dựng hệ thống điện Việt Nam trên phần mềm DIgSILENT PowerFactory. Trong đó tập trung phân tích khu vực Nam Miền Trung đặc biệt là hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.
Mô hình hóa nhà máy điện gió và nhà máy điện mặt trời với nguồn phát sóng hài điển hình và vẽ lưới điện từ cấp điện áp 110kV và lưới điện truyền tải của khu vực. Giả thiết các nhà máy năng lượng tái tạo đang vận hành với công suất cực đại.
Trong luận văn này nguồn gây ra sóng hài chủ yếu đến từ các nhà máy điện gió và các nhà máy điện mặt trời, không khảo sát nguồn gây ra sóng hài từ các nguồn ĐMT áp mái hay do các phụ tải phi tuyến gây ra.
Thực hiện tính toán sóng hài với các trường hợp vận hành khác nhau của lưới điện. Việc thay đổi cấu trúc lưới (cắt điện một đường dây) sẽ làm thay đổi điện trở kháng, điện dung của lưới điện gây ra các vấn đề về cộng hưởng làm gia tăng các thành phần sóng hài. Luận văn sử dụng phương pháp phân tích tính toán sóng hài trên lưới điện trong trường hợp vận hành bình thường và các trường hợp sự cố N-1 của các đường dây 110kV, 220kV và 500kV lưới điện khu vực Nam Miền Trung. Từ đó lựa chọn các trường hợp tiêu biểu có số lượng thanh cái 110kV có THD vượt ngưỡng và giá trị THD lớn nhất để tính toán và thể hiện trong luận văn như sau:
- Trường hợp 1: Vận hành bình thường
- Trường hợp 2: Sự cố ĐZ 500kV Vĩnh Tân – Thuận Nam
- Trường hợp 3: Sự cố ĐZ 220kV Vĩnh Tân – Thuận Nam
- Trường hợp 4: Sự cố ĐZ 220kV Đông Quán Thẻ – Quán Thẻ
- Trường hợp 5: Sự cố ĐZ 110kV Thuận Nam – ĐMT BIM
- Trường hợp 6: Sự cố ĐZ 110kV ĐG Phước Minh – ĐMT Vĩnh Tân 2
Kết quả tính toán và nhận xét
Tổng độ biến dạng sóng hài lưới điện khu vực
Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại khu vực Nam Miền Trung
Với cấp điện áp từ 110kV trở lên, THD tại các thanh cái đều phải đảm bảo dưới mức 3%. Bảng 3.1 dưới đây là kết quả tính toán THD tại các thanh cái trong các trường hợp vận hành khác nhau của lưới điện khu vực Nam Miền Trung.
Bảng 3.1: Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp trên lưới điện khu vực Nam Miền Trung tại các thanh cái.
| STT | Tên thanh cái | Điện áp (kV) | Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp THD | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Trường hợp 1 | Trường hợp 2 | Trường hợp 3 | Trường hợp 4 | Trường hợp 5 | Trường hợp 6 | |||
| 1 | T_N_PHONG | 110 | 4.441% | 4.426% | 4.446% | 4.454% | 4.466% | 4.437% |
| 2 | DG_TH_NGHIEP | 110 | 4.047% | 4.018% | 4.052% | 4.052% | 4.055% | 4.046% |
| 3 | MUINE | 110 | 4.022% | 3.992% | 4.027% | 4.027% | 4.029% | 4.021% |
| 4 | MT_HONGPHONG | 110 | 4.021% | 3.991% | 4.026% | 4.026% | 4.028% | 4.020% |
| 5 | PHU_HAI | 110 | 3.404% | 3.354% | 3.410% | 3.418% | 3.423% | 3.404% |
| 6 | DG_H_CUONG | 110 | 3.095% | 3.064% | 2.999% | 3.113% | 3.153% | 2.985% |
| 7 | DG_CONG_HAI1 | 110 | 3.072% | 3.124% | 3.074% | 3.216% | 3.077% | 3.084% |
| 8 | DG_SUOI_DA | 110 | 3.063% | 3.107% | 3.065% | 3.193% | 3.067% | 3.074% |
| 9 | DG_HARABAN_1 | 110 | 3.047% | 3.087% | 3.050% | 3.168% | 3.051% | 3.057% |
| 10 | MT_PHANLAM2 | 110 | 2.979% | 3.029% | 2.987% | 2.959% | 3.137% | 2.955% |
| 11 | SONGBINH | 110 | 2.926% | 2.901% | 2.917% | 2.879% | 2.923% | 2.906% |
| 12 | DMT_MUINE | 110 | 2.862% | 2.766% | 2.886% | 2.924% | 2.954% | 2.873% |
| 13 | MT_PH.LAM | 110 | 2.822% | 2.787% | 2.812% | 2.778% | 2.814% | 2.805% |
| 14 | DMT_SONGBINH | 110 | 2.817% | 2.777% | 2.806% | 2.765% | 2.810% | 2.800% |
| 15 | DMT_DAMY | 110 | 2.755% | 2.596% | 2.741% | 2.733% | 2.783% | 2.737% |
| 16 | TANH_LINH | 110 | 2.682% | 2.337% | 2.700% | 2.684% | 2.706% | 2.693% |
| 17 | DUC_LINH | 110 | 2.647% | 2.201% | 2.655% | 2.651% | 2.648% | 2.638% |
| 18 | DG_MUIDINH | 110 | 2.622% | 2.724% | 2.594% | 2.845% | 2.923% | 2.721% |
| 19 | BAC_AI | 110 | 2.603% | 2.748% | 2.528% | 2.834% | 2.651% | 2.626% |
| 20 | HAM_CHINH | 110 | 2.519% | 2.364% | 2.497% | 2.482% | 2.497% | 2.495% |
Nhận xét: Lưới điện khu vực Nam Miền Trung cấp điện áp từ 110kV trở lên có đến 207 thanh cái, trong đó có 10 thanh cái cấp điện áp 110kV trong quá trình vận hành có THD vượt giá trị cho phép (được in đậm trong Bảng 3.1):
Các khu vực có THD cao tại các trường hợp vận hành lưới điện
Như đã phân tích ở trên, lưới điện Nam Miền Trung có 2 khu vực có một lượng lớn sóng hài tập trung như sau:
- Khu vực 1 là cụm các NMNLTT đấu nối vào TBA220kV Phan Thiết 2 gồm các NMĐG Thiên Nghiệp, NMĐG Thuận Nam Phong, NMĐMT Hồng Phong, NMĐMT Hòa Thắng, NMĐMT Mũi Né, TBA 110kV Mũi Né và TBA 110kV Phú Hài.
- Khu vực 2 là cụm các NMNLTT đấu nối vào TBA220kV Tháp Chàm gồm các NMĐG Công Hải, NMĐG Suối Đá, NMĐG Hanbaram 1&MR, NMĐMT Nhơn Hải 1.
Độ biến dạng sóng hài đơn lẻ ở các thanh cái có THD cao
Đối với thanh cái 110kV biến dạng sóng hài riêng lẻ về điện áp phải đảm bảo dưới 1,5%.
Các biểu đồ bên dưới thể hiện độ biến đạng sóng hài theo từng bậc riêng lẻ của các thanh cái 110kV trong từng khu vực có THD cao.
Hình 3.3: Sóng bài bậc 23, 25 và 28 vượt ngưỡng cho phép
tại khu vực 1 trường hợp 1
Nhận xét: Độ biến dạng sóng hài riêng lẻ của khu vực 1 – các NMNLTT đấu nối vào TBA 220kV Phan Thiết 2 (tỉnh Bình Thuận) tính toán trong trường hợp vận hành bình thường có bậc 23, 25 và 28 vượt ngưỡng cho phép vận hành.
Hình 3.4: Sóng bài bậc 23 vượt ngưỡng cho phép
tại khu vực 2 trường hợp 1
Nhận xét: Độ biến dạng sóng hài riêng lẻ của khu vực 2 – các NMNLTT đấu nối vào TBA 220kV Tháp Chàm (tỉnh Ninh Thuận) tính toán trong trường hợp vận hành bình thường có bậc 23 vượt ngưỡng cho phép vận hành.
Kết luận chương
Qua tính toán sóng hài ở lưới điện khu vực Nam Miền Trung giai đoạn đến năm 2030, tổng độ biến dạng sóng hài tại các thanh cái 220kV và 500kV THD vẫn dưới mức 3% đảm bảo vận hành lưới điện. Trong khi đó tại các thanh cái 110kV THD vượt ngưỡng cho phép 3% không đảm bảo vận hành lưới điện.
Không những thế, tại các thanh cái 110kV độ biến dạng sóng hài đơn lẻ cũng vượt mức quy định 1,5% chủ yếu ở các bậc 23, 25 và 28 và thành phần sóng hài tại các bậc 5, 7, 11, 33 cũng ở mức cao.
Cần chú ý đến khu vực 1 nơi tập trung các NMNLTT đấu nối vào TBA 220kV Phan Thiết 2 (tỉnh Bình Thuận) đã gây ra một lượng lớn sóng hài trên các thanh cái 110kV của các nhà máy và TBA trong khu vực. Cần thiết sử dụng giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài trên lưới điện tại khu vực này, đặc biệt là các bậc 23, 25, 28 có xem xét đến các bậc 5, 7, 11, 33 cũng ở mức cao.
Tại khu vực 2 nơi tập trung các NMNLTT đấu nối vào TBA 220kV Tháp Chàm (tỉnh Ninh Thuận) đã gây ra một lượng sóng hài trên các thanh cái 110kV của các nhà máy và TBA trong khu vực. Cần thiết sử dụng giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài trên lưới điện tại khu vực này ở các bậc 23.
Sóng hài tại các khu vực lân cận như Phú Yên, Khánh Hòa, Đồng Nai, Bà Rịa – Vũng Tàu vẫn đảm bảo, không vượt mức quy định, luận văn chỉ tập trung phân tích sóng hài tại khu vực tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.
GIẢI PHÁP HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC NAM MIỀN TRUNG
Yêu cầu kỹ thuật về sóng hài và mục tiêu giải pháp
Qua phân tích sóng hài ở chương 3, các nguồn phát sinh sóng hài tập trung tại 2 khu vực đã vượt quá tiêu chuẩn cho phép trong các thông tư của Bộ Công Thương (THD>3%).
Tại khu vực 1 sóng hài trên các thanh cái 110kV của các nhà máy NLTT và TBA có biên độ lớn chủ yếu tại các bậc cao như 23, 25 và 28. Trong quá trình thiết kế các bộ lọc thông đơn cần chú ý đến các bậc 5, 7, 11 và 33 để tránh hiện tượng cộng hưởng làm biên độ của các bậc hài này lớn hơn.
Tại khu vực 2 sóng hài trên các thanh cái 110kV của các nhà máy NLTT có biên độ lớn chủ yếu ở bậc 23 do đó cần phải thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động lọc sóng hài tần số cao bậc 23.
Giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài từ các nhà máy NLTT đến lưới điện khu vực
Luận văn đề xuất giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài từ các nhà máy NLTT đến lưới điện khu vực bằng các bộ lọc cộng hưởng đơn, có sơ đồ cấu trúc như Hình 4.1
Hình 4.1: Bộ lọc thông đơn (a) và các bộ lọc thông đơn phối hợp làm việc với nhau để lọc sóng hài ở nhiều bậc khác nhau (b)
Từ các lý thuyết phân tích ở chương 2, các bộ lọc cộng hưởng đơn này được thiết kế với bậc lọc nhỏ hơn 3% so với bậc cần lọc. Hệ số chất lượng Q ảnh hưởng đến khả năng lọc cũng được xem xét từ giá trị 0,5÷5.
Sử dụng các bộ lọc sóng hài thụ động cho khu vực 1
Vị trí lắp đặt bộ lọc sóng hài được lựa chọn là tại thanh cái 110kV của TBA 110kV Mũi Né, nơi có nhiều xuất tuyến 110kV đi đến các NMNLTT phát sinh lượng lớn sóng hài trên lưới điện.
Luận văn xây dựng một bộ lọc để lọc 7 bậc sóng hài, các bậc này là 5, 7, 11, 23, 28 và 33.
Hình 4.2: Các bộ lọc thông đơn cho các bậc sóng hài của bộ lọc sóng hài thụ động tại khu vực 1
Bộ lọc sóng hài thụ động tại khu vực 1 gồm 7 bộ lọc thông đơn để lọc sóng hài cho các bậc 5, 7, 11, 23, 28 và 33 được đấu nối song song với nhau vào thanh cái của bộ lọc. Mỗi bộ lọc thông đơn được tính toán và điều chỉnh các tham số dựa vào kết quả tính toán độ biến dạng sóng hài đơn lẻ cho từng bậc.
Sau nhiều lần tính toán và thực hiện hiệu chỉnh thông số cho các bộ lọc thông đơn gồm hệ số chất lượng Q, công suất phản kháng định mức và bậc lọc thiết kế được chọn với giá trị bằng 97% so với bậc cần lọc. Thông số của bộ lọc được chọn như sau:
Bảng 4.1: Thông số bộ lọc sóng hài khu vực 1 cho từng bậc lọc
| TT | Bậc cần lọc | Bậc thiết kế | CSPK (MVAr) | Điện áp (kV) | Q | C (µF) | L (H) | R (Ω) |
| 1 | 5 | 4.85 | 0.6 | 110 | 0.5 | 32.54 | 13.24 | 40333 |
| 2 | 7 | 6.79 | 0.5 | 110 | 2 | 19.37 | 11.34 | 12100 |
| 3 | 11 | 10.67 | 0.3 | 110 | 5 | 7.40 | 12.03 | 8067 |
| 4 | 23 | 22.31 | 0.7 | 110 | 5 | 8.25 | 2.47 | 3457 |
| 5 | 25 | 24.25 | 0.4 | 110 | 2 | 4.34 | 3.97 | 15125 |
| 6 | 27 | 26.19 | 0.3 | 110 | 1 | 3.01 | 4.90 | 40333 |
| 7 | 33 | 32.01 | 0.5 | 110 | 0.5 | 4.11 | 2.41 | 48400 |
Sử dụng các bộ lọc sóng hài thụ động cho khu vực 2
Vị trí lắp đặt bộ lọc sóng hài được lựa chọn là tại thanh cái 110kV của NMĐG Suối Đá, vị trí trung tâm khu vực có các NMNLTT phát sinh lượng lớn sóng hài trên lưới điện.
Khu vực này chỉ có sóng hài bậc 23 vượt ngưỡng cho phép nên thiết kế bộ lọc sóng hài bậc 23 cho khu vực này với thông số như sau:
Bảng 4.2: Thông số bộ lọc sóng hài bậc 23 khu vực 2
| TT | Bậc cần lọc | Bậc thiết kế | CSPK (MVAr) | Điện áp (kV) | Q | C (µF) | L (H) | R (Ω) |
| 1 | 23 | 22.31 | 0.1 | 110 | 0.5 | 1.18 | 17.26 | 242000 |
Kết quả tính toán và nhận xét
Tổng độ biến dạng sóng hài lưới điện khu vực sau khi có giải pháp hạn chế sóng hài
THD trên các thanh cái 110kV của khu vực sau khi có giải pháp hạn chế sóng hài. Cụ thể được trình bày trong bảng 4.3.
Bảng 4.3: Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp trên lưới điện khu vực Nam Miền Trung tại các thanh cái sau khi trang bị các bộ lọc sóng hài
| STT | Tên thanh cái | Điện áp (kV) | Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp THD | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Trường hợp 1 | Trường hợp 2 | Trường hợp 3 | Trường hợp 4 | Trường hợp 5 | Trường hợp 6 | |||
| 1 | T_N_PHONG | 110 | 2.889% | 2.814% | 2.900% | 2.984% | 2.939% | 2.893% |
| 2 | DG_TH_NGHIEP | 110 | 2.528% | 2.442% | 2.536% | 2.573% | 2.545% | 2.532% |
| 3 | MUINE | 110 | 2.501% | 2.414% | 2.509% | 2.546% | 2.518% | 2.505% |
| 4 | MT_HONGPHONG | 110 | 2.504% | 2.418% | 2.512% | 2.549% | 2.521% | 2.508% |
| 5 | PHU_HAI | 110 | 2.222% | 2.122% | 2.236% | 2.297% | 2.261% | 2.231% |
| 6 | DG_H_CUONG | 110 | 2.814% | 2.900% | 2.984% | 2.939% | 2.893% | 2.814% |
| 7 | DG_CONG_HAI1 | 110 | 2.725% | 2.651% | 2.807% | 2.666% | 2.666% | 2.725% |
| 8 | DG_SUOI_DA | 110 | 2.720% | 2.655% | 2.794% | 2.669% | 2.669% | 2.720% |
| 9 | DG_HARABAN_1 | 110 | 2.712% | 2.653% | 2.780% | 2.666% | 2.665% | 2.712% |
| 10 | MT_PHANLAM2 | 110 | 2.367% | 2.427% | 2.345% | 2.324% | 2.552% | 2.343% |
Nhận xét: Sau khi trang bị các bộ lọc sóng hài thụ động cho hai khu vực có THD cao, các thanh cái 110kV khu vực Nam Miền Trung có THD trong giá trị cho phép vận hành ở các trường hợp vận hành khác nhau.
Độ biến dạng sóng hài tại các thanh cái sau khi lắp bộ lọc sóng hài
Biến dạng sóng hài đơn lẻ của các bậc tại thanh cái 110kV khu vực 1 trong các trường hợp vận hành.
Hình 4.3: Sóng hài tại khu vực 1 trường hợp 6
Nhận xét: Sau khi lắp đặt bộ lọc sóng hài thụ động cho TBA 110kV Mũi Né thì độ biến dạng sóng hài đơn lẻ của các bậc đã giảm dưới giá trị cho phép vận hành (1,5%).
Hình 4.4: Sóng hài tại khu vực 2 trường hợp 6
Nhận xét: Sau khi lắp đặt bộ lọc sóng hài thụ động cho NMĐG Suối Đá thì độ biến dạng sóng hài đơn lẻ của các bậc đã giảm dưới giá trị cho phép vận hành (1,5%).
Kết luận chương
Áp dụng giải pháp trang bị các bộ lọc sóng hài thụ động cho hai khu vực có THD cao, đã làm cho các chỉ số sóng hài trên các thanh cái của khu vực Nam Miền Trung trong phạm vi cho phép theo yêu cầu trong các thông tư của Bộ Công Thương. Điều này góp phần nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và tin cậy.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Trong bối cảnh tỷ trọng các nguồn năng lượng tái tạo cao xâm nhập vào hệ thống điện, đặc biệt là khu vực Nam Miền Trung. Điều này sẽ gây mất ổn định lưới điện khu vực và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, đặc biệt là sóng hài.
Luận văn đã phân tích được sóng hài trên hệ thống điện cấp điện áp từ 110kV trở lên, có nhiều thanh cái 110kV có THD và độ biến dạng sóng hài đơn lẻ vượt quá quy định trong các thông tư của Bộ Công Thương.
Luận văn đã đề xuất giải pháp sử dụng các bộ lọc sóng hài thụ động để lọc các thành phần hài bậc cao, đưa các giá trị THD và độ biến dạng sóng hài về mức cho phép vận hành bình thường.
KIẾN NGHỊ
Do thời gian hạn chế nên luận văn chỉ nghiên cứu lý thuyết chung về sóng hài và các biện pháp hạn chế sóng hài trên lưới điện. Tuy nhiên qua thời gian thực hiện nghiên cứu đề tài đã mang lại sự hiểu biết cơ bản về sóng hài và các vấn đề liên quan, hơn nữa cũng làm rõ biện pháp dùng bộ lọc sóng hài thụ động bằng các bộ lọc cộng hưởng đơn.
Các mô hình nhà máy dùng để tính toán sóng hài trong luận văn giả thiết đưa ra là giống nhau, chỉ khác nhau quy mô về số lượng, các đường dây truyền tải và các máy biến áp. Để đề tài phát triển mức cao hơn, tính toán chuẩn xác hơn cần phải tập hợp các dữ liệu đúng với mô hình các nhà máy đã vận hành, cập nhật thêm các nguồn gây sóng hài từ các nhà máy ĐMT áp mái, các phụ tải công nghiệp phi tuyến như từ các phụ tải nhà máy thép sử dụng các lò nung cao tần.
Giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài mà luận văn đưa ra là trang bị các bộ lọc sóng hài thụ động cộng hưởng đơn. Các bộ lọc này được thiết kế và lọc tốt các thành phần hài có biên độ lớn. Luận văn đã phân tích sóng hài trong một trường hợp cụ thể của lưới điện với các kịch bản vận hành đơn giản, bộ lọc sóng hài này cơ bản đáp ứng được các yêu cầu. Tuy nhiên trong tương lai, cấu hình lưới điện thay đổi, các bộ lọc thụ động sẽ không còn đáp ứng khả năng lọc sóng hài đúng với thiết kế ban đầu và có nguy cơ gây ra cộng hưởng sóng hài song song, cộng hưởng sóng hài nối tiếp.
Hướng phát triển đề tài:
Mở rộng hướng nghiên cứu các yếu tố khác là nguồn phát sinh sóng hài trên lưới điện và cần thiết phải nghiên cứu áp dụng bộ lọc sóng hài tích cực kết hợp với các bộ lọc sóng hài thụ động để tránh các nguy cơ gây ra cộng hưởng sóng hài và đảm bảo khả năng lọc sóng hài trong các trường hợp vận hành khác nhau của lưới điện.
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\KY THUAT DIEN\5ng\LuanVanThacSi_LeTienKhai_In5bo
