Bài viết dưới đây giới thiệu các tiêu chuẩn đấu nối điện gió ở một số nước có điện gió phát triển, hy vọng có thể trở thành tài liệu tham khảo bổ ích cho cán bộ kĩ thuật và quản lý điện gió ở nước ta.
1. Tiêu chuẩn kết nối và yêu cầu kỹ thuật
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.
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.
|
(Ảnh minh họa)
|
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 (bảng 1).
|
< 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 tại bảng 2.
|
Cấp điện áp
|
Tổng biến dạng sóng hài
|
Biến dạng riêng lẻ
|
|
110kV
|
3,0%
|
1,5%
|
|
Trung và hạ áp
|
6,5%
|
3,0%
|
- 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.
|
|
Bỉ
|
IEE 1547
|
Pháp
|
|
Hạ áp
|
Điện áp
U > 1.06 pu: cắt tức thời.
U < 0.5 - 0.85 pu: cắt sau 1.5s.
Tần số:
f < 49.5 Hz hoặc f > 50.5 Hz: cắt tức thời
|
Điện áp
U < 0.5: cắt sau 0.16 s.
0.5 < U < 0.88 pu: cắt sau 2.0s.
1.1 < U < 1.2: cắt sau 1,0s
U > 1.2 pu: cắt sau 0.16s.
Tần số:
Với máy phát < 30 kW
f > 60.5 Hz: cắt sau 0.16 s.
f < 59.3 Hz: cắt sau 0.16 s.
Máy phát > 30 kW
f > 60.5 Hz: cắt sau 0.16 s.
(59.8 - 57) Hz: cắt sau (0.16 - 3,0) s
f < 57 Hz: cắt sau 0.16 s
|
Điện áp
U < 0.85 pu hoặc > 1.15 pu: cắt tức thời.
Tần số:
f< 47.5 Hz hoặc f> 51.0 Hz: cắt tức thời
|
|
Trung áp
|
Điện áp
U < 0.25 - 0.5 pu hoặc U > 1.1 pu: cắt tức thời.
U < 0.5 - 0.85 pu: cắt sau 1.5s.
Tần số:
f < 49.5 Hz hoặc > 50.5 Hz: cắt tức thời
|
- 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 nguồn điện gió 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.
|
(Ảnh minh họa)
|
Hoà đồng bộ
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 về điện áp, tần số và góc pha được thiết lập trong thời gian kết nối. Còn việc hoà đồng bộ của các bộ nghịch lưu song song có yêu cầu tương tự như bất kỳ một hoạt động hoà đồng bộ khác: Điện áp, góc pha, tần số [6]. Trong bảng 4, 5, quy định các điều kiện cần thiết để hoà đồng bộ các máy phát đồng bộ và không đồng bộ vào lưới.
|
|
IEEE 1547
|
Bỉ
|
Pháp
|
|
Máy phát điện gió loại nhỏ
(0 - 500 kVA)
|
DU = ±10%
Df = ±0.3Hz
Dd = ±200
|
DU, Df, Dd: phải có giá trị sao cho không gây ra các biến đổi đột ngột nào > 5% giá trị danh định
|
DU = ±10%
Df = ±0.1Hz
Dd = ±100
|
|
Máy phát điện gió loại trung bình
(> 500 - 1500 kVA)
|
DU = ±5%
Df = ±0.2Hz
Dd = ±150
|
|
Máy phát điện gió loại lớn
(> 1500 kVA)
|
DU = ±3%
Df = ±0.1Hz
Dd = ±100
|
Bảng 4: Quy định khi hòa đồng bộ máy phát điện gió sử dụng máy phát đồng bộ
|
|
IEEE 1547
|
Bỉ
|
Pháp
|
|
Mức suy giảm điện áp
|
£ 5%
|
£ 6%
|
£ 5% và không quá 0,5s
|
Bảng 5: Quy định về mức suy giảm điện áp khi hòa đồng bộ máy phát điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ
Máy phát không đồng bộ thường yêu cầu điện năng từ phía lưới để duy trì từ trường quay giữa stato và rôto. Do vậy nó luôn phải vận hành song song với lưới điện, các bộ tụ bù sẽ được đặt ngay tại máy phát để cung cấp công suất phản kháng và duy trì hệ số công suất không đổi. Việc kết nối điện gió với lưới được thực hiện nếu mức suy giảm điện áp nhỏ hơn giới hạn cho phép trong thời gian quy định.
2. Kết luận
Bài viết đã giới thiệu các quy định đấu nối điện gió với lưới theo một số tiêu chuẩn khác nhau của một số nước trên thế giới. Nói chung, các tiêu chuẩn kỹ thuật đều có sự khác nhau, điều đó làm khó khăn và tăng thêm tính phức tạp trong việc triển khai và tiêu chuẩn hoá trên phạm vi toàn cầu. Nếu có một tiêu chuẩn chung cho điện gió sẽ góp phần nâng cao chất lượng điện năng, đẩy mạnh việc phát triển điện gió trong các thị trường điện trong tương lai. Các yêu cầu về kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối các máy phát điện gió với lưới điện hiện đang gặp nhiều khó khăn.
Do vậy, việc nghiên cứu tổng thể các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối các máy phát điện gió với hệ thống điện ở nước ta để đảm bảo việc xây dựng và vận hành lưới điện an toàn, kinh tế là công việc cần thiết.