Luận án tiến sĩ: Giải pháp nâng cao chất lượng điện năng lưới phân phối có nguồn điện gió sử dụng máy điện không đồng bộ DFIG

Chất lượng điện năng được đánh giá qua nhiều chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng. Tiêu chuẩn vận hành bao gồm độ lệch tần số, độ lệch điện áp và dao động điện áp. Độ không đối xứng điện áp ba pha cũng là thông số cần kiểm soát nghiêm ngặt. Sự xâm nhập của nguồn điện gió công suất lớn dễ làm thay đổi đặc tính lưới điện truyền thống. Khi công suất phát biến thiên, điểm đấu nối chung PCC xuất hiện dao động điện áp rõ rệt. Giới hạn dao động điện áp cho phép trên lưới phân phối thường nằm trong khoảng ±5%. Các chỉ tiêu này quyết định mức độ an toàn và độ tin cậy cung cấp điện. Thiết bị công nghiệp và dân dụng đều đòi hỏi nguồn điện có chất lượng ổn định cao. Đánh giá chính xác các chỉ tiêu chất lượng điện năng tạo cơ sở để thiết kế giải pháp điều khiển phù hợp.

Sụt giảm điện áp voltage sag là hiện tượng suy giảm điện áp ngắn hạn rất phổ biến trên lưới. Sự cố ngắn mạch hoặc đóng cắt tải lớn thường gây ra sụt giảm điện áp tức thời. Bên cạnh đó, nhấp nháy điện áp voltage flicker xuất hiện do sự thay đổi liên tục của tốc độ gió. Tuabin gió quay trong trường gió nhiễu loạn làm công suất phát dao động tuần hoàn. Hiệu ứng bóng tháp trụ tuabin cũng góp phần gia tăng hiện tượng nhấp nháy điện áp. Nhấp nháy điện áp làm suy giảm tuổi thọ của các thiết bị chiếu sáng và máy móc nhạy cảm. Sụt giảm điện áp nghiêm trọng có thể kích hoạt các rơle bảo vệ cắt nguồn gió khỏi lưới. Do đó, kiểm soát sụt giảm điện áp voltage sag và nhấp nháy điện áp voltage flicker là yêu cầu bắt buộc khi tích hợp DFIG.

Sóng hài điện áp và dòng điện phát sinh chủ yếu từ các bộ biến đổi công suất điện tử trong trạm điện gió. Các xung đóng cắt tần số cao của van bán dẫn tạo ra các thành phần sóng hài bậc cao. Tổng độ biến dạng sóng hài THD phản ánh mức độ méo dạng của tín hiệu dòng điện và điện áp so với dạng sóng sin chuẩn. Khi tổng độ biến dạng sóng hài THD vượt quá ngưỡng quy định, hệ thống đối mặt với nguy cơ quá nhiệt máy biến áp và tổn thất điện năng tăng vọt. Sóng hài cũng làm suy giảm độ chính xác của các thiết bị đo lường và bảo vệ rơle. Các tụ điện bù trên lưới có thể rơi vào trạng thái cộng hưởng sóng hài gây nổ hoặc hư hỏng. Việc lọc sóng hài và tối ưu hóa điều khiển bộ biến đổi là giải pháp then chốt để duy trì dạng sóng sin chuẩn trên lưới phân phối.

Cấu trúc máy phát điện không đồng bộ nguồn kép bao gồm máy điện cảm ứng rotor dây quấn và hai bộ biến đổi back-to-back. Mạch rotor được liên kết với lưới thông qua mắt xích một chiều DC-link. Mắt xích này chứa tụ điện nhằm duy trì điện áp DC ổn định giữa hai bộ biến đổi. Cuộn kháng lọc và máy biến áp phối bộ hỗ trợ việc hòa lưới an toàn. Khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ đồng bộ, công suất được truyền từ lưới vào rotor. Khi tốc độ gió vượt tốc độ đồng bộ, rotor phát ngược công suất về lưới qua bộ biến đổi. Stator luôn phát công suất tác dụng trực tiếp lên lưới phân phối trong cả hai chế độ. Thiết kế này mang lại hiệu suất vận hành cơ điện rất cao cho tuabin gió DFIG.

Mô hình toán học của máy phát DFIG thường được thiết lập trên hệ trục tọa độ quay dq đồng bộ với từ thông stator. Việc chuyển đổi hệ tọa độ abc sang dq giúp biến đổi các đại lượng xoay chiều thành đại lượng một chiều ở chế độ xác lập. Các phương trình điện áp và từ thông trên trục d và trục q trở nên độc lập và tuyến tính hơn. Phương trình trạng thái mô tả đầy đủ mối quan hệ giữa điện áp rotor, dòng điện rotor và mômen điện từ. Định hướng theo từ thông stator cho phép phân tách hoàn toàn việc điều khiển dòng điện trục d và dòng điện trục q. Nhờ đó, việc điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trở nên trực quan và chính xác. Mô hình dq là nền tảng toán học tin cậy cho các thuật toán điều khiển hiện đại.

Cơ chế truyền công suất của máy phát DFIG có sự linh hoạt vượt trội so với các loại máy phát điện gió truyền thống. Dòng công suất tác dụng stator được điều chỉnh thông qua thành phần dòng điện rotor trục q. Đồng thời, dòng công suất phản kháng stator được kiểm soát độc lập bằng thành phần dòng điện rotor trục d. Máy phát DFIG có thể hoạt động ở chế độ phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo yêu cầu vận hành. Chế độ bù công suất phản kháng linh hoạt này giúp duy trì ổn định điện áp lưới phân phối tại nút nối chung. Việc phân chia dòng công suất giữa stator và rotor giúp tối ưu hóa tổng hiệu suất phát điện của toàn trạm. Sự linh hoạt trong điều khiển công suất bốn góc phần tư là ưu điểm nổi bật nhất của công nghệ DFIG.

Bộ biến đổi phía rotor RSC được thiết kế theo cấu trúc điều khiển vector định hướng từ thông stator. Mạch vòng điều khiển bao gồm vòng ngoài điều khiển công suất và vòng trong điều khiển dòng điện rotor. Dòng điện rotor trục q trực tiếp điều khiển mômen điện từ và công suất tác dụng nhằm bám điểm công suất cực đại MPPT. Dòng điện rotor trục d điều khiển công suất phản kháng stator để duy trì hệ số công suất theo yêu cầu. Bộ điều khiển PI (Proportional-Integral) được sử dụng phổ biến trong các mạch vòng để triệt tiêu sai số xác lập. Cấu trúc này giúp bộ biến đổi phía rotor RSC phản hồi cực nhanh khi tốc độ gió thay đổi đột ngột. Khả năng điều khiển linh hoạt của RSC giảm thiểu đáng kể xung đột cơ điện trong hệ thống tuabin gió.

Bộ biến đổi phía lưới GSC sử dụng kỹ thuật điều khiển vector định hướng theo điện áp lưới điện. Mục tiêu chính của GSC là giữ cho điện áp trên tụ DC-link luôn ổn định ở giá trị đặt danh định. Mạch vòng điều khiển điện áp DC đóng vai trò vòng ngoài, xuất tín hiệu đặt cho dòng điện trục d ở vòng trong. Bên cạnh đó, kênh điều khiển trục q của GSC được sử dụng để điều chỉnh công suất phản kháng trao đổi trực tiếp với lưới. Khi xảy ra sự cố sụt áp, bộ biến đổi phía lưới GSC có thể bơm nhanh dòng điện phản kháng vào lưới phân phối. Việc duy trì ổn định điện áp DC-link bảo vệ an toàn cho các linh kiện bán dẫn công suất. GSC hoạt động như một bộ bù tĩnh linh hoạt hỗ trợ ổn định điện áp lưới phân phối hiệu quả.

Bù công suất phản kháng là giải pháp cốt lõi để duy trì ổn định điện áp lưới phân phối khi tích hợp điện gió. Cả RSC và GSC đều có khả năng cung cấp công suất phản kháng độc lập lên hệ thống điện. Khi phụ tải tiêu thụ tăng cao gây sụt áp, DFIG lập tức chuyển sang chế độ phát công suất phản kháng để nâng điện áp nút. Ngược lại, khi tải thấp gây tăng áp đột biến, DFIG có thể tiêu thụ công suất phản kháng để ghìm điện áp về ngưỡng an toàn. Khả năng bù công suất phản kháng nhanh chóng giúp hạn chế hiện tượng nhấp nháy điện áp voltage flicker và sụt giảm điện áp voltage sag. Việc phối hợp điều khiển phản kháng giữa stator và GSC mở rộng phạm vi điều chỉnh điện áp của toàn bộ trạm gió.

Bộ điều khiển PI cổ điển được tích hợp rộng rãi trong các vòng điều khiển dòng điện và điện áp của DFIG. Cấu trúc bộ điều khiển gồm khâu tỷ lệ Kp nhằm tăng tốc độ đáp ứng và khâu tích phân Ki nhằm loại bỏ sai số tĩnh. Hàm mục tiêu tối ưu thường được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn sai số tích phân theo thời gian ITAE (Integral of Time-weighted Absolute Error). Tiêu chuẩn ITAE phạt nặng các sai số xuất hiện ở giai đoạn sau của quá trình quá độ. Việc tối thiểu hóa hàm mục tiêu ITAE đảm bảo hệ thống có thời gian xác lập nhanh nhất và độ quá điều chỉnh nhỏ nhất. Thiết lập hàm mục tiêu chuẩn xác là điều kiện tiên quyết để thuật toán tối ưu tìm ra bộ tham số lý tưởng.

Thuật toán CRO là giải pháp tính toán tiến hóa mô phỏng tương tác giữa các phân tử trong phản ứng hóa học. Mỗi trạng thái phân tử đại diện cho một bộ nghiệm tham số Kp và Ki cần tìm. Thuật toán vận hành qua bốn phản ứng cơ bản: va chạm đơn trên tường, phân hủy, va chạm giữa các phân tử và tổng hợp. Quá trình này giúp thuật toán cân bằng hoàn hảo giữa khả năng khai phá cục bộ và tìm kiếm toàn cục. Thuật toán CRO tránh được hiện tượng rơi vào cực trị địa phương vốn là nhược điểm của nhiều phương pháp tối ưu khác. Tốc độ hội tụ nhanh và độ chính xác cao giúp CRO trở thành công cụ tối ưu tham số vượt trội cho hệ thống điều khiển DFIG.

Kết quả ứng dụng thuật toán CRO cho thấy sự cải thiện vượt bậc so với phương pháp xác định tham số truyền thống. Trên các mô hình máy phát DFIG công suất 4 kW và 1,5 MW, bộ thông số tối ưu bởi CRO giúp giảm đáng kể thời gian quá độ của dòng điện rotor. Độ quá điều chỉnh điện áp DC-link giảm xuống mức tối thiểu trong mọi kịch bản biến động tải. Dòng điện stator có dạng sóng sin chuẩn hơn, làm giảm tổng độ biến dạng sóng hài THD của dòng phát. Sóng hài điện áp và dòng điện được triệt tiêu hiệu quả ngay tại nguồn phát. Hệ thống điều khiển tối ưu bằng CRO đảm bảo máy phát thích ứng nhanh với các thay đổi đột ngột của tốc độ gió.

Tốc độ gió trong tự nhiên luôn biến đổi ngẫu nhiên và khó dự báo chính xác. Khi gió tăng hoặc giảm đột ngột, công suất tác dụng phát ra từ tuabin gió biến thiên theo hàm phi tuyến. Nếu không có cơ chế điều khiển bù công suất phản kháng thích hợp, điện áp nút nối chung sẽ bị dao động mạnh. Nhờ cấu trúc điều khiển tối ưu CRO, máy phát DFIG tự động điều chỉnh công suất phản kháng để bù đắp sự sụt giảm điện áp tức thời. Điện áp tại các nút tải trên lưới phân phối duy trì ổn định trong dải quy định cho phép. Hiện tượng nhấp nháy điện áp voltage flicker được khống chế ở mức rất thấp theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật điện lực.

Sự cố mất một máy biến áp trong trạm biến áp 110 kV gây sụt giảm điện áp voltage sag nghiêm trọng trên thanh cái phân phối. Trong điều kiện này, nguồn điện gió DFIG thể hiện khả năng hỗ trợ lưới điện rất tích cực. Bộ biến đổi phía rotor RSC và bộ biến đổi phía lưới GSC lập tức bơm công suất phản kháng cực đại vào điểm đấu nối. Phản ứng nhanh nhạy của DFIG giúp khôi phục điện áp lưới về mức an toàn trong thời gian ngắn nhất. Cơ chế điều khiển bảo vệ ngăn chặn việc máy phát bị cắt ly khai khỏi lưới khi xảy ra sự cố. Nguồn điện gió DFIG đóng góp thiết thực vào việc nâng cao tính ổn định điện áp lưới phân phối và độ tin cậy cung cấp điện.

Chỉ tiêu tổng độ biến dạng sóng hài THD là thước đo quan trọng phản ánh độ sạch của nguồn điện tích hợp vào lưới phân phối. Sóng hài điện áp và dòng điện sinh ra từ hoạt động đóng cắt của van bán dẫn được lọc sạch nhờ bộ lọc phối bộ và thuật toán điều khiển tối ưu. Kết quả kiểm tra cho thấy chỉ số THD của điện áp và dòng điện tại điểm đấu nối luôn duy trì dưới ngưỡng 3%, đáp ứng nghiêm ngặt các quy định của Bộ Công Thương và tiêu chuẩn IEEE 519. Sóng hài bậc cao được triệt tiêu hoàn toàn, hạn chế tối đa nguy cơ quá nhiệt thiết bị và sai số đo lường. Nguồn điện gió DFIG vận hành êm thuận, góp phần xanh hóa và nâng cao chất lượng điện năng của lưới điện phân phối.