Giảm thiểu ssci cho máy phát điện gió dfig sử dụng thiết bị gcsc

...39Bảng 2.1 Tần số điệntựnhiên trong trường hợp bù nối tiếp và bù song song...43Bảng 2.2 Tóm tắt các phương pháp phân tích...50Bảng 3.1 Thểhiện khi tốc độ gió Ko tăng, cả tốc độ trục r

Công trình được hoàn thành tạiTrường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Văn Đại

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại họcCông nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày20 tháng 08 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS TS Châu Minh Thuyên - Chủ tịch Hội đồng

3 PGS TS Trương Việt Anh - Phản biện 2

BỘ CÔNGTHƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ

Họ tên học viên: LÊ ĐỨC TÀI

Ngày, tháng, năm sinh: 14/07/1993

I TÊN ĐÈ TÀI:

MSHV: 20125571Nơi sinh: Tỉnh Long An

Mã ngành: 8520201

Giảm thiểu SSCI cho máy phát điện gió DFIG sử dụng thiết bị GCSC

■ Trình bày cơ sở lý thuyết của hiện tượng SSCI Phân tích đánh giácác sự kiện và côngtrình nghiên cứu về hiện tượng SSCI trên thếgiới

■ Xây dựng mô hình toán họccác đốitượng nghiên cứu: Thiếtbị GCSC, DFIG và mô hìnhđường dây

■ Xây dựng giải pháp điều khiển thiết bị GCSC dựa trên bộ điều khiển PI với thông số bộ điều khiển được xácđịnh bằng thuật toán PSO

■ Thựchiện môphỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink kiểm chứng tính hiệu quả củaphương án đềxuất

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 2650/QĐ-ĐHCNngày 18/11/2022

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 20tháng 08 năm 2023

IV NGƯỜI HƯỚNG DẴN KHOA HỌC: TS Lê Văn Đại

(Họ tên và chữ kỷ)

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023

CHỦ NHIỆM Bộ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ kỷ)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với TS Lê Văn Đại người thầy đãtrực tiếptận tâm hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luậnvăn

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đặcbiệt là quý Thầy, Cô khoa Công Nghệ Điện Trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức làm nền tảng để tôi hoàn thành luận văn này Cảm ơn các bạn học viên cùng khóa, nhóm nghiên cứu đã cùng thảo luận, góp ý cho một số nội dungliên quan trong luận văn

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người

đãủng hộ, hỗ trợvà động viên tôi trong thời gian qua

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ

Hệ thống điện (HTĐ) hiện đại đang hướng tới sựtích hợp cao của các nguồn năng lượng tái tạo với tốc độnhanh Việc tích hợpnănglượng gió trong HTĐ đặt ra nhiều thách thức cùng với những lợi ích nhất định Mộttrong những thách thức gần đây là tươngtác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI) xảy ra trong các trang trại điện gió sử dụngmáy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) Điều kiện SSCI xảy ra khi trang trại gió

sử dụng DFIG được kết với đường dây truyền tải cótụ bù nối tiếp Mục đích của luậnvăn này là điều tra và nghiên cứu các trường hợp và nguyên nhân của SSCI, đồngthời đềxuất các giải pháp có thể giảm thiểu tìnhtrạng này từ hệthống Một mô hìnhtoán học của HTĐ sử dụng DFIG được mô hình hóavàphân tích Phân tích cho thấyrằng trong số nhiều yếu tố, mức bù đóng vai trò chính trong việc gây ra SSCI trong

Việc đánh giá giảm thiểu SSCI thực hiện thông qua việc lựa chọn cáctham số bộđiều khiển thiết bị GCSC thích hợp đượcmô phỏng trên HTĐ gió DFIG 100 MW kếtnốilưới có tụ bù nối tiếp điều chỉnh từ mô hình chuẩn SSR đầu tiên của IEEE (FBM) Việc phân tích SSCI cũng được thực hiện thông qua ba kịch bản điển hình và thiết bịFACTS đề xuất giảm thiểu được thực hiện thành công Ảnh hưởng của mức bù, tốc

độ gió, sự cố chạm đất đến SSCI cũng đượcnghiên cứu và trình bày Nó chỉ ra rằng bằng cách sử dụng các thiết bị FACTS để giảm thiểu SSCI một cách hiệu quả HTĐgió DFIG gồm 66 tua bin GE 1,5 MW hoạt động ổn địnhtrong vùngan toàn khi mức

bù vàtốc độ giócao, sự cố chạm đất xảy ra

The modem power system movestowards the high integration ofrenewable energysources with fast speed The integration of wind energy in the power system posesmany challenges alongwith certain benefits One ofthe recent challenges is the sub-synchronous control interaction (SSCI)that occurs in wind farms using doubly-fed induction generator (DFIG) The SSCI occurs when a wind farm using a DFIG is connected toa transmission line withcapacitors in series The purpose ofthesis is to investigate, to study some cases and causes of SSCI and to provide solutions whichcan minimize the situation from the system A mathematical model of the powersystem using DFIG is modeledand analyzed The analysis results show that in many factors, the level ofcompensation plays a major role in the induction ofSSCI in the system

The technique of reducing oscillation is presented in the thesis A FACTS device (GCSC) is installed on the transmission line The control parameter is presented and proposedthat with the constant powercontrol method based on the GCSC devicePI controller By using signal yreduces the SSCI system even for higher compensation levels

The mitigating assessment of SSCI is implemented by the selection ofappropriateGCSC device controller parameters simulated on a grid-connected too MW DFIG wind power system with series-compensated capacitors adjusted from the firststandard model SSRof IEEE (FBM).The SSCI analysis was performed through threetypical scenarios, and FACTS device which proposed mitigation was successfullyimplemented The effects of compensation, wind speed, and ground fault on SSCI arealso studied and presented It is shown that using FACTS devices to effectivelyreduce SSCI, the DFIG wind power system consisting of66 1,5 MW GE turbines operatesstablyin the safezonewheneverthe compensation level and wind speed arehigh, a ground fault occurs

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây làcông trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn làtrungthực, khôngsao chép từ bất kỳ một nguồn nàovàdưới bất kỳ hình thứcnào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đãđượcthực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Lê Đức T ài

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂNTHẠC sĩ ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤCVIẾT TẮT xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Đặtvấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 7

3 Đốitượng và phạm vi nghiên cứu 11

4 Cách tiếpcận và phương pháp nghiên cứu 12

5 Ýnghĩathực tiễn của đề tài 12

CHƯƠNG 1 TỔNGQUAN VỀ LĨNH vực NGHIÊN cứu 14

1.1 Dao động dưới đồng bộ(SSO) 14

1.2 Cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) 15

1.3 Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI) 17

1.3.1 Phân loại hiện tượng sSCI 18

1.3.2 Mốc thời gian củacác sự kiện SSCI 18

1.3.3 Cơ chếvà đặc điểm 23

1.3.4 Hậu quả 24

1.4 Tổng quan lịch sử pháttriển ngành công nghiệp gió và thị phần tua bin gió

7 25

1.5 Các loại tua bin gió 28

1.5.1 Tuabin gió tốc độ cố định(Loại-A) 28

1.5.2 Tuabin gió tốc độ thay đổi (Loại-B) 29

1.5.3 Tuabin gió sử dụng máy phát điện nguồn kép (Loại-C) 30

1.5.4 Tuabin gió sử dụng bộ chuyển đổi toàn phần (Loại-D, E, F) 36

CHƯƠNG 2 Cơ SỞLÝ THƯ YẾT 40

2.1 Hệ thốngtụ bù nốitiếp 40

2.2 Vai tròcủa thiết bị điện tử công suất trong lưới điện 44

2.3 Tuabin gió DFIG 45

2.3.1 Máyphát điện 47

2.3.2 Bộ chuyển đổi 48

2.4 Cácphưong phápnghiên cứu SSCI 48

2.4.1 Phưong pháp quét tần số 48

2.4.2 Phưong phápmô phỏng quá độ điện từ 49

2.4.3 Phưong pháp phân tích giátrị riêng 49

2.4.4 Phưong pháp dựa trên trở kháng 49

2.4.5 Phưong pháp phân tích miền thời gian 50

2.5 Các giải pháp giảm thiểu SSCI 51

2.5.1 Sử dụng bộ giảm xóc bổ sung 51

2.5.2 Sử dụng thiết bị FACTS 52

2.5.3 Một số kỹ thuật khác 52

CHƯƠNG3 MÔHÌNH LƯỚI ĐIỆNTÍCH HỢP DFIG NGHIÊNcứu SSCI 53

3.1 Cấu trúc tổng thể củahệthống 53

3.2 Mô hình DFIG 54

3.2.1 Mô hình khí động học 55

3.2.2 Mô hình không gian trạng thái hệthống trục hai khối 56

3.2.3 Mô hình máy phát điện cảm ứngrotor dâyquấn 58

3.2.4 Mô hình điều khiển bộ chuyển đổi 60

3.2.5 Mô hình thiết bị bảo vệ 65

3.3 Mô hình đường dây 66

3.4 Mô hình hệthống nghiên cứu trên MATLAB/Simulink 66

3.4.1 Kịch bản 1 67

3.4.2 Kịch bản 2 70

3.4.3 Kịch bản 3 73

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁPĐỀ XUẮT 78

4.1 Giới thiệu 78

4.2 Cấu hình của GCSC 79

4.3 Nguyên lý hoạt động của GCSC 81

4.4 Sóng hài 86

4.5 Đánh giáGCSC với thiết bị FACTS cùngcấu trúc liên kếtnối tiếp 88

4.6 Giáthành các thiết bị bù và bộ điều khiển 90

4.7 Bộ điều khiển GCSC 91

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP NGĂN NGỪA 98

5.1 Sử dụng thiết bịGCSC kéthợp với FSC 98

5.1.1 Kịch bản 1 99

5.1.2 Kịch bản 2 99

5.1.3 Kịch bản 3 99

5.2 Sử dụng thiết bị GC sc 104

5.2.1 Kịch bản 1 105

5.2.2 Kịch bản 2 105

5.2.3 Kịch bản 3 105

5.3 Đánh giá hai giảipháp GCSC kếthợp với FSC và GCSC 110

5.4 Đánh giávới giải pháp sử dụng thiết bị TCSC 115

KẾTLUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122

1 Kếtluận 122

2 Kiến nghị 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

PHỤ LỤC 135

LÝLỊCH TRÍCHNGANG CỦA HỌC VIÊN 138

DANH MỤC HỈNH ẢNH

Hình 0.1 Lịch sử pháttriên công suât lăp đặt(GW)năng lượng gió trên thê giới trên

bờ và ngoài khơi, 2016-2020 1

Hình 0.2 Công suất (GW) điện giótoàn cầu bổ sung hàng năm,2011-2021 2

Hình 0.3 Công suất năng lượng gió lắp đặt bổ sung của 10 của quốc gia hàng đầu, năm 2021 3

Hình 0.4 Một phần của mạng lưới miền nam Texas trải qua SSCI đầu tiên trong 5

Hình 0.5 Bản ghi hiện trường của sự cố SSCI đầutiêntại Ajo Từ trên xuống: Dòng điện đến Rio-Hondo (pha a, b và c màu xanh lam) và điện áp pha trong pha a, b và c màu hồng 6

Hình 0.6 Thị phần công suất lắp đặt hàng năm theo loại tua bin trên toàn cầu 7

Hình 1.1 Phân loại các hiện tượng sso 15

Hình 1.2 Sơ đồ đơn tuyến của mộtHTĐ đơn giản 16

Hình 1.3 vết nứt trục tổmáy số 1 nhà máy VũngÁng I, Việt Nam 17

Hình 1.4 Mốc thời gian của SSCI được báo cáo giữacáctrang trại điện gió và các đường truyền bù nốitiếp 19

Hình 1.5 Sơ đồ đơn tuyến của mộtphần của hệthốngtruyền tải Nam Texas 20

Hình 1.6 Điện áp và công suất hoạt động tại Homsea 22

Hình 1.7 Cácmẫu WT công suất lớn 26

Hình 1.8 Thị phần (%) của 10 nhà sản xuất hàng đầu về năng lượng gió năm 2021 27

Hình 1.9 Sơ đồ khối của WT tốc độ cố định 29

Hình 1.10 Sơ đồ khối củaWT tốc độ thay đổi 29

Hình 1.11 Sơ đồ khối củaWT sử dụngDFIG 30

Hình 1.12 Sơ đồ khối củaWT sử dụngBDFIG 32

Hình 1.13 Sơ đồ khối củaWT sử dụngBDFRG 32

Hình 1.14 Sơ đồ khối củaWT sử dụng BCDFIG 33

Hình 1.15 Sơ đồ khối củaWT sử dụngDSBDFIG 34

Hình 1.16 Thị phần các nhà cungcap DFIG dự ánđiện gió trên bờ năm 2015 35

Hình 1.17 Thị phần các nhà cungcap DFIG dự ánđiện gió ngoàikhơi năm2015 35 Hình 1.18 Sơ đồ khối củaWT loại D 37

Hình 1.19 Sơ đồ khối củaWT loại E 38

Hình 1.20 Sơ đồ khối củaWT loại F 38

Hình 2.1 Một HTĐhai máy đơn giản không xétđến tổn thất 41

Hình 2.2 Sự thay đổi CSTD và CSPK của đường dây truyền tải khi đưa tụ bù nối tiếp vào hệthống sovới góc ỗ 42

Hình 2.3 Cấu hình WT dựa sử dụng DFIG 45

Hình 2.4 Quá trình chuyển đổi năng lượng WT 47

Hình 3.1 Sơ đồ HTĐ gió sử dụng DFIG kết nối lưới có tụ bù mắc nối tiếp nghiên cứu SSCI 54

Hình 3.2 Sơ đồ khối mô hình khí động học của ASGWT 55

Hình 3.3 Mô hình giảm xóc hệ hai khối truyền động WT và máy phát của DFIG được nghiên cứu 57

Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển tổngthể của WT DFIG ỐO Hình 3.5 Mối quan hệ giữa công suất cơPt(p.u), tốc độ trục rotor tua bin (Or (p.u), tốc độ gió V(ù (m/s) và đườngcong MPPT 61

Hình 3.6 Vòng điều khiển RSC 63

Hình 3.7 Vòng lặp điều khiển GSC 64

Hình 3.8 Mô hình liên kết DC DFIG 64

Hình 3.9 Sơ đồ kếtnối mạch Crowbar 65

Hình 3.10 Mô hình mô phỏng hệthống trên MATLAB/Simulink 67

Hình 3.11 Đáp ứng động của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK 68

Hình 3.12 Phân tích FFT trên tín hiệu mômen điện: (a) V(ũ = 9 m/s, K = 40%; (b) V(ũ = 9 m/s, K = 50%; (c) Va = 9 m/s, K = 60% 69

Hình 3.13 Đáp ứng động của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK 71

Hình 3.14 Phân tích FFT trên tín hiệu mômen điện: (a) Vto = 9 m/s, K= 60%; (b) V(ũ = 12 m/s, K= 60%; (c) FT = 15 m/s, K= 60% 72

Hình 3.15 Đáp ứng động của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK 74

Hình 3.16 Phân tích FFT trên tín hiệu mô men điện (a) V(O = 6 m/s, K = 40%, Fault 2-2,1 s; (b) Ko = 6 m/s, K = 50%, Fault2-2,1 s; (c) = 6 m/s, K = 60%, Fault2-2,1 s 75

Hình 4.1 Cấu hình đơn tuyến tụ bù nối tiếp điều khiển bang thyristorGTO: vc = điện áp trên GCSC, ĨL = dòng điện đường dây truyền tải, ic — dòng điện tụ GCSC, I gto— dòng điện trên GTO,Xc = điện dung cốđịnh của GCSC 79 Hình4.2 Điện kháng đường truyền khi có GCSC 80

Hình 4.3 Điện áp, dòng điện và tín hiệu điều khiển của GCSC 80

Hình4.4 Trởkhángcủa GCSC như một hàm của góc tắtGTO 81

Hình 4.5 Nguyên lý hoạt động của GTO với góc tắt y trong nửa chu kỳ dương và âm 81

Hình4.6 Thành phần cơ bản của điện áp tụ điện nối tiếp sovới góctắt y 83

Hình4.7 Đặc tính dòng điện - điện ápbù của thiết bị GCSC khi hoạt động ở chế độ điều khiển bù điện áp 85

Hình 4.8 Điện ápbù - đặc tính dòng điện của thiết bị GCSC khi hoạt động ở chế độ

điều khiển bù điện kháng 86

Hình4.9 Các biên độ của điện áp sóng hài được biểu thị bằng phần trăm của điện áptụ điện cơ bản cực đại so với góc tắty 87

Hình 4.10 Phân loại thiết bị FACTS với cấu trúc liên kết nối tiếp trong các hệ thống truyền dẫn theo công nghệ 89

Hình4.11 Bộ điều khiển GCSC 92

Hình 4.12 Sơ đồ khối thuật toán tối ưu hóa bầy đàn 94

Hình 4.13 Hàm mục tiêuGCSC kếthợp FSC khi Ktăng lên từ 15%-ỐO%với 96

Hình 4.14 Hàm mục tiêuGCSC khi K tăng lên từ 15%-60% với V(ứ = 9 m/s 97

Hình 5.1 Mô hình mô phỏng hệthống trên MATLAB/Simulink 98

Hình 5.2 Đáp ứng động của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK : ? : 100

Hình 5.3 Đáp ứng động của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK ? .101

Hình 5.4 Đáp ứng động của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK L.T : 102

Hình 5.5 Mô hình mô phỏng hệthống trên MATLAB/Simulink 104

Hình 5.6 Đáp ứng động của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK ? .106

Hình 5.7 Đáp ứng động của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK ? .107

Hình 5.8 Đáp ứng động của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK ? .108

Hình 5.9 So sánh đáp ứngđộng của: (a) Mô men điện; (b)Điện áp đầu ra;(c) CSTD; (d)CSPK 111

Hình 5.10 So sánh đáp ứngđộng của: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d)CSPK 112

Hình 5.11 So sánh đáp ứngđộng của: (a) Mô men điện; (b) Điệnáp đầu ra; (c) CSTD; (d)CSPK 113

Hình 5.12 Số lượng ấn phấm được sắpxếptheonhàxuấtbản 115

Hình 5.13 So sánh hiệu suất hoạt động của hệ thống DFIG kịch bản 1: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK 117

Hình 5.14 So sánh hiệu suất hoạt động của hệ thống DFIG kịch bản 2: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK 118

Hình 5.15 So sánh hiệu suất hoạt động của hệ thống DFIG kịch bản 3: (a) Mô men điện; (b) Điện áp đầu ra; (c) CSTD; (d) CSPK 119

? .39Bảng 2.1 Tần số điệntựnhiên trong trường hợp bù nối tiếp và bù song song 43Bảng 2.2 Tóm tắt các phương pháp phân tích 50Bảng 3.1 Thểhiện khi tốc độ gió (Ko) tăng, cả tốc độ trục rotor WT (ớ)r), công suất

cơ học (Pt) và mô men cơ(Tm) đều tăng 56

Bảng3.2 Bảng tổng hợp biên độ dao động tại thời điểm 4 s của mô men điện, điện

áp đầu ra, CSTD, CSPK và tần số của hệ thống các trường hợp ở V(ũ = 9 m/s vớiKtăng dần 70

Bảng 3.3 Bảng tổng hợp biên độ dao động tại thời điểm 4 s của mô men điện, điện

áp đầu ra,CSTD, CSPK và tần số của hệthống các trường hợp ỞK= 60% với V(ũ tăng dần 73

Bảng3.4 Bảng tổng hợp % biên độ dao động tại thời điểm 4 s của mô men điện,

điện áp đầu ra, CSTD, CSPK và tần số của hệ thống các trường hợp ở V(ù

Bảng 5.2 Bảng tổng hợp biên độ dao động tại thời điểm xảy ra nhiễu loạn của mô

men điện, CSTD, CSPK kịch bản 2 đối với trường hợp trước và sau khi thiết bị FSC kếthợp GCSC đượcđưa vào hệ thống 103

Bảng 5.3 Bảng tổng hợp biên độ dao động tại thời điểm xảy ra nhiễu loạn của mô

men điện, CSTD, CSPK kịch bản 3 đối với trường hợp trước và sau khi thiết bị FSC kếthợp GCSC đượcđưa vào hệ thống 103

Bảng 5.4 Bảng tổng hợp % biên độ dao động tại thời điểm 4 s của mô men điện,

điện áp đầu ra, CSTD, CSPK của hệthống 3 kịchbản 104

Bảng 5.5 Bảng tổng hợp biên độ dao động tại thời điểm xảy ra nhiễu loạn của mô

men điện, CSTD, CSPK kịch bản 1 đối với trường hợp trước và sau khi thiết bị FSC kếthợp GCSC được đưavào hệ thống 109

Bảng 5.6 Bảng tổng hợp biên độ dao động tại thời điểm xảy ra nhiễu loạn của mô

men điện, CSTD, CSPK kịch bản 2 đối với trường hợp trước và sau khi thiết bị GCSC được đưavào hệ thống 109

Bảng 5.7 Bảng tổng hợp biên độ dao động tại thời điểm xảy ra nhiễu loạn của mô

men điện, CSTD, CSPK kịch bản 3 đối vói trường hợp trước và sau khi thiết bị GCSC được đưavào hệ thống 109

Bảng 5.8 Bảng tổng hợp % biên độ dao động tại thời điểm 4 s của mô men điện,

điện áp đầu ra, CSTD, CSPK của hệthống 3 kịchbản 110

Bảng 5.9 Bảng so sánh tổng hợp biên độ dao động tại thời điểm xảy ra nhiễu loạn

của mô men điện, CSTD, CSPK 3 kịch bản đối với trường hợp trước vàsau khi thiết bị GCSC, GCSC kết hợp FSC được đưavào hệ thống 114Bảng 5.10 Bảng tổng hợp % biên độ dao động tại thời điểm 4 s của mô men điện,

điện áp đầu ra, CSTD, CSPK củahệthống 3 kịchbản 114

Bảng 5.11 Bảng so sánh tổng hợp biên độ dao độngtại thời điểm xảy ranhiễu loạn

của mô men điện, CSTD, CSPK 3 kịch bản đối với trường hợp trước và sau khi thiết bị GCSC, TCSC được đưa vào hệ thống 120

Bảng 5.12 Bảng tổng hợp % biên độ dao động tại thời điểm 4 s của mô men điện,

điện áp đầu ra, CSTD, CSPK của hệthống 3 kịchbản 121

DANH MỤC VIẾT TẮT

2L-BTB Two-Level Back-TO-Back

ASEAN Association ofSoutheastAsian Nations

BCD-FIG Brushless CascadeDoubly Fed Induction Generator

DSBDFIG Dual-Stator Brushless Doubly-Fed InductionGenerator

EESG Electrically Excited Synchronous Generator

EWEA European Wind Energy Association

FACTS Flexible Alternating Current Transmission System

FFT FastFourier Transform

GCSC GateControlled SeriesCapacitor

IGE Induction Generator Effect

LQR Linear Quadratic Regulator

MGCSC Multi Gate Controlled Series Capacitor

MPPT Maximum Power Point Tracker

SCIG Squirrel Cage Induction Generator

sssc Static Synchronous SeriesCompensator

STATCOM Static Synchronous Compensator

TCPST Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer

TCR Thyristor Controlled Reactors

TCSC Thyristor Controlled SeriesCompensator

TCSR Thyristor Switched Series Reactor

TSSC Thyristor-Switched Series Capacitor

TSSR Thyristor Switched SeriesReactor

vsc Voltage Source Converter

WECS Wind Energy Conversion Systems

WWEA WorldWind Energy Association

MỞ ĐẦU

1 Đặt vắn để

Dânsố trêntoàn thế giới ngày cànglớn, nhu cấu điệntăng nhanh sẽ tiếp tục phẫbiến cho các mụcđích sinh hoạt, công nghiệp và giao thông vận tải để duy trì và cải thiện cuộc sống của con người Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc đốt nhiên liệu hóathạch trong các nhà máyđiện (NMĐ) để sản xuắtđiện năng có ảnh hưởng đáng kể đến sự thay đồi khíhậutoàn cầu lượng khí thải nhà kính đưa vào bầukhí quyển Đểgiải quyết thách thức này, các quốc gia trênthế giới trong đó có Việt Nam đang hướng tới khai thác, sử dụng mạnh mẽ các nguồn năng lượng sạch bền vữngkhông gây ô nhiễm môi trườngthaythế nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càngcạn kiệt

Trongsố các nguồn năng lượng sạchsẵn có khác nhau như năng lượngmặttrời, năng lượng sóng biển, năng lượng địanhiệt, năng lượng gió có lợi thếkhácbiệtsovớicác nguồn năng lượng tái tạo khác và không ngừng phát triển mạnh mẽ đặc biệt là trong hai thập kỷ qua như Hình 0.1

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2003 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Hình 0.1 Lịch sử phát triểncông suất lắp đặt (GW) năng lượng giótrênthế giới trên

bờ và ngoài khơi, 201Ố-2020 [1]

ước tính công suắtnăng lượng gió trên toàn cầu được lắp đặtkhoảng 102 GWvàonăm 2021 bao gồm hơn 83 GWtrên bờ và 19 GW gằn bờ Vào cuốinăm 2021, tổngcông suấtđiện gió toàn cầu tăng 13,5% để vượt qua 845 GW được thể hiện trongHình 0.2 Mặtkhác, công nghệ ngoài khơi đãphát triển nhanh chóng vì các dự án lắp đặt ngoài khơi có thểtạorangày càng nhiều năng lượng hơn do nguồn tài nguyên gió sẵn có Do đó, công suắt lắp đặt ngoài khơi trêntoànthế giới dựkiến sẽ đạt 134 GWvàonăm 2026 [2].

Hình 0.2 Công suắt(GW) điện giótoàn cầu bồ sung hàng năm, 2011 -2021 [3]

Hình 0.3 cho thấy Việt Nam lằn đầutiên nằm trong 10 thị trường hàng đầuvề năng lượng gió, xếp hạng thứ tư trêntoàn cầu vào năm 2021 số lượng công suất lắp đặt hàng năm của Việt Nam tăng gắp nhiều lần Năm 2020 bồ sung 0,1 GW, kếhoạch3,5 GW(2,7 GWtrên bờ và 0,8 GW gần bờ) với tẫng số cuốinăm là 4,1 GW

Bảng 0.1 Mụctiêuvề năng lượng gió của Việt Nam [1]

Điện gió trên bờ và gẩn bờ biển (MW)

Kịch bân cao nhât ó 30 12,280 10,080 25,880 34,080 40,080 Kịch bân cơ sỡ ó 30 11,320 10,010 23,110 30,910 39,010 Điện gió ngoài khơi khu vục có độ sâu trên 20 mét (IvIW)

Kịch bân cao nhất 0 0 3,000 11,000 23,000 3ổ,000 KỊchbãn cơ sở 0 0 2,000 9,000 15,000 21,000

Trongnhiềutrườnghợp, các trang trại năng lượngđiện gió kết nối vào lưới điệnhiệnhữu làm tăng nhu cầu truyền tải điện năng trên một khoảng cách xa từ các tồ máyphátđiện đếncác trung tâm phụ tải điểnhình như các trang trại điện gió ngoài khơi

Vì điềuđó, việc truyền tải công suắt lớn từ phía phátđiện sang khu vực tiêu thụ trởnên khó khăn Thách thức nàynảy sinh do độ tự cảm của đường dây tải điện ngày

càng tăng cùng với sự tăng chiều dài của nó làm hạn chế khả năng truyền tải điện năng Tuy nhiên, việc xây dựng và lắp đặt các đường dây truyền tải mới để đáp ứngnhững nhu cầu này bị cản trở do chi phí cao, khó khăn trong việc quy hoạch và cáchạn chế nghiêm trọng về môi trường cùng các yếu tố khác.

Bù nối tiếpđường dây truyềntải là kỹ thuật được sử dụng rộng rãivì hiệu quả của nó trong việctăng cường khảnăng truyền côngsuất của đường dây bằngcách giảm điện khángtưong đương, cải thiện hệ số công suất kết quả là dung lượng của đường dây truyền tải tăng lên [4] Bù nối tiếp đã được sử dụng để tốiưu hóa các hành langtruyềndẫn cho khoảng cách xa và được coi làgiải pháp hiệu quả về chi phí chotrang trạigió kếtnối với lưới điện Một số nghiên cứu thực hiện bởi ABB cho thấy rang bằng cách bù nối tiếp ba pha đường dây 400 kv giữa trạm biến áp Yaracuy và trạm biến

áp El Tablazo, cộng với các tuyến giữa Yaracuy Plan ta Centro và Yaracuy-Arenosa.Tổng công suấttruyền tải điện được tăng lên từ 1800 MW đến 2125 MW, sử dụng

bù điện dung nối tiếp xấp xỉ 10% việcxây dựng đường dây song songthứ ba [5, 6].Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi tụ bù nối tiếp phải đối mặt với những thách thức như HTĐ có nguy cơtươngtác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI) [7, 8]

SSCI có thể được mô tảlà sự trao đổi năng lượng giữa các thiết bị điệntử công suấtcủa hệ thống điều khiển và các thành phần khác của lưới điện [9, 10] Trong cáctrường hợp đã xảy ra, một trường hợp điển hình của SSCI là sự tương tác giữabộ chuyển đổi điều khiển và đường dây truyền tải bù nối tiếp Khi nói đến các trang trại gió sử dụng tua bin có bộ chuyển đổi như máy phátđiện cảm ứng nguồn kép (DFIG),các thông sốcủa bộ chuyển đổi điều khiển đã cho thấy ảnh hưởng đến giảm xóc của

hệthống và do đóảnh hưởng đến độ ổn định SSCI SSCI là một hiệntượng có sự phụthuộc nhiều biến số, gây khó khăn cho việc dự đoán bất kỳ tương tác nào [11]

Ở Minnesota năm 2007, mộtlỗi trongHTĐ dẫn đến một trang trại gió sử dụng DFIG được kếtnối xuyên tâm với một đường dây bù nối tiếp Kết quả là các daođộngdưới đồng bộ (SSO) 9-13 Hz Một sự kiện tương tự đã xảy ra ở Texas vào năm 2009 thểhiện trong Hình 0.4, hậu quả là làm hỏng tụ điện nối tiếp và mạch bảo vệ Crowbar

Một số sự kiện của SSCI đã được báo cáo trong HTĐ gió Guyuan từ năm 2012 đến năm 2016 Trong năm 2017, các sự kiện sso đã được báo cáo từ trang trại gió ERCOT ở Texas Tất cả các sự kiện được đề cập là do sự tương tác giữa hệ thống điều khiển DFIGvà một đường dây bù nối tiếp Hầu hết các sự kiệnxảy ra do sự cố mất điện đường truyền, khiến trang trại gió được kết noixuyên tâm với đường dây

bùnốitiếp [12]

Rio Hondo

lOOMVAbasc

Nelson Sharpe transmission line

250 MVA 34.5/0.69 kv x=5%

wind farm 100x2 MW

bypass switch

network equivalent

series capacitor 50% of X RỈO Hondo-

MVA Hz

x,„= 0.429 X 10’ pu/miles R = 0.038 X 10' pu/miles BllM= 6.250 X 10 ’ pu/tniles

2.5 MVA 34.5/0.69 kv x=5%

unit transformer

2-MW wind turbine

N^= 103.7 (6-pole)

DFIG

drive train

50kVA 25th filter back-to-back converter

s„= 500 kVA,/.TO = 1.5 kHz v*= 1.2 kV,Q - 10 mF

Hình 0.4 Mộtphần của mạng lưới miền nam Texas trải qua SSCI đầu tiên trong

Năm 2009 [11]

Các dao động dưới đồngbộ về điện áp và dòng điện bắt đầu hình thành nhanh chóng (khoảng 20 Hz) Trong 1 giây, mức điện áp đạt gần 2 (p.u) trong khi dòng điệnghi nhận đạt 4 (p.u) Các phépđođiện áp phavàdòng điện tại Zorillo được thể hiện trongHình 0.5

bộ chuyển đổi Black-To-Black (BTB), trong khi cuộn dây stator được kếtnối trựctiếp với lưới điện Việc cách ly một phần máy phát với lưới điện này giúp loại bỏ nguy cơ trao đổi năng lượng giữa phần cơ của máy phátvà lưới điện Tuynhiên, vẫn tồn tại nguy cơ tương tác giữa máy phát và lưới truyền tải bên ngoài vìkết nối mộtphần [14],

DFIG là WT cótốc độ thayđổi, điềukhiến góc nghiêng cánhquạtchủ động phổ biến nhất trong số các công nghệ WT khácnhau hiện có, nó được sử dụng rộngrãi trongngành công nghiệpnănglượngtáitạo vàcáctrang trại gió [15-18], Cho đến cuối năm

2020, DFIG clữếm trên 60% thị phần công suất lắp đặtđiệngió trên bờ và hon 10%

điện gió ngoài khơi toàn cầu thể hiện thểhiện trongHình 0.6 Hầu hết các WT trên

bờ ở Trung Quốc chiếm trên 60% và trên 80% ở Mỹ đều sử dụng DFIG [19], Trong

đó, Sinovel, Senvion, United Power và Ingeteam là nhữngnhàsảnxuất DFIG thương mại có công suất định mức từ 6 MW trở lên

Type D.PM BTypeE.PM "Type E.EE «Type F

■ TypeC Type D PM ■ Type E PM «TypeF

Hình 0.6 Thị phần công suất lắp đặt hàng năm theo loại tua bin trên toàn cầu [19]

Xét đếntầm quan trọng của hai bộ phận trong HTĐ làDFIG và tụ bù nối tiếpchúng kíchhoạtđiềukiện của SSCI trong mạng điện, có thểnói rằng việc tránh sử dụng bất

kỳthiếtbị nào trong hai thành phần nói trên không phải là một giải pháp thích hợp

Do đó đề tài Giảm thiểu SSCĨ cho nhà máy phát điện gió sử đụng DFIG” vớimục đíchphân tích và điều tra nguyênnhân dẫn đếnsự xuất hiện của SSCI và đưara giảipháp do sự tồn tại củacả hai thành phầnbằng cách giảm thiểu SSCI trong hệ thống.Các nghiên cứu vềhệ thống và hoạt động có thể đượcthực hiện trên phần mềm môphỏngMATLAB/Simulink để kiểm tra, đánh giá kết quả

2 Mục tiêu nghiên cứu

Là một trong những vấn đề gần đây xảy ra trong các NMĐ gió, SSCI đang là tâm điểm của nhiềunhà nghiên cứu trên thế giớitrong đó có Việt Nam Việc nghiên cứu điều khiển tối ưu WT DFIGrất phổ biến, tuy nhiên việc nghiên cứu về SSCI trong HTĐgió tích hợp tua binDFIG kết nốilướicó tụ bù nối tiếp tại Việt Nam hiện tại là

rất ít Sự cần thiết phải trả lời những câu hỏi chưa được giải đáp đằng sau sự xâmnhập của SSCI đã dẫn đến nhiều phát hiện và kết luận quan trọng Trong luận văn này, việc xem xét chủ đề liên quan trong các công trình nghiên cứu trước đây đượcchiathành các phần sau.

2.2 Tình hình ngoài nước

Trong [8] chỉ ra những lý do tại sao các WT DFIG dễ bị ảnh hưởng bởi SSCI Các hiện tượng như TA và SSTI xảy ra trên các chế độ cố định trong máy phát tua binnhư đã mô tả trước đây Mặt khác, SSCI không có tần suất xuất hiện cố định vì tầnsuất xảy ra phụ thuộc vào điều khiển và các thông số và cấu hình HTĐ Mô hình hệthống nghiên cứu được mô phỏng trên PSCAD/EMTDC và sự xâm nhập của SSCI

đã được đề cập Tác giảtập trung vào tác động của các vòng điều khiển và thấy rằng vòng phản hồi dòng điện phía rotor có tác động đáng kể đến SSCI WT sử dụngbộ chuyển đổi toàn phần cách ly máy phát với đường dây truyền tải bên ngoài do đó cóSSCI không gây nhiễu trong chúng Thiếtkế bộ điều khiển giảm xóc SSCI đượcđưa

ra và một số kỹ thuật giảm thiểu khác được đề xuất cùng với cáckhuyến nghị nhưng công trình nghiên cứu này khôngcho thấybất kỳ môhìnhtoán học nào của SSCI

Nghiên cứu [14] cho thấy sự xuất hiện của SSCI được mô phỏng khi trang trại điện gió sử dụng WT DFIG được kếtnối vớiđường dây truyềntải có tụbù nối tiếp Nghiên cứu này sử dụng mô hình chuẩn thứ hai của IEEE (IEEE Second Benchmark) để thực hiện các nghiên cứu phân tích Phương pháp quét tần số cũng như mô phỏng miền

thời gian đã được sử dụng để điều tra sự xuất hiện của SSCItrong các máy phát WT loạic và loại D Mô hình chuẩn đãđược thử nghiệm đối vói cáccấu hình khác nhau của mạch và mức bù khác nhau của đườngdây truyền tải Quan sát thấy rangWT sửdụng bộ chuyển đổi toàn phần không nhạy cảm với SSCI ngay cả khi được két nốitrựctiếpWTvới đường dây bù nối tiếp vóimứcbù là80% Nghiên cứu cho thấy rằng một hệ thống với WT loại c thể hiện SSCI WT có bộ chuyển đổi toàn phần hoàn toàn cách ly máy phát điện với mạng bên ngoài do đó ngăn chặn bấtkỳ sự xáo trộnnào của điều kiện cộng hưởng xâm nhập vào máy phát điện từ đường dây truyền tải bên ngoài Tuy nhiên, trong DFIG bộ chuyển đổi không cách ly hoàn toàn máy phát khỏi mạng bên ngoài Hai loại WT khác, tức làWT tốc độcố định và tốc độ thay đổikhông thể được tính vào danh sách các máy phát điện dễ bị ảnh hưởng bởi SSCI vì

cả hailoạinày không có bất kỳ thiếtbị điệntử công suấtnào trong cấu trúc của chúng

Theo [21] các trang trại điện gió kết nối vào lưới điện thông qua một đường dây truyền tải bù nối tiếp có thể xảy ra dao động dưới đồng bộ Tác giả chỉ ra rằng từ thông trong cuộn dây stator vàdòng điện trong đường dây truyền tải là nhữngthành phần tham gia chính của chế độnày Một svc được giới thiệu sử dụng đểtắt dần daođộngcho chế độ này vói dòng điện là tín hiệu phản hồi Kết quả mô phỏng đã đượcchứng minhrằng một bộ điều khiển giảm xóc được thiết kế phù hợp cho svccó thể làm giảm những daođộng này ứng dụngđã được chứng minh cho mộthệthống đongiản cũng như một HTĐ thực tế lón Giải pháp cho phép phát triển việc tạo ra gió không phụ thuộc vào quá trình truyền tải

Theo nghiên cứu [22], tác giả đề xuất một kế hoạch giảm thiểu tập trung linh hoạt SSCI, có thể cải thiện tính ổn định của hệ thống thông qua việc tiêu tán năng lượngcộng hưởng điện Thiết bị được đặt tên là SSD, hoạt động gần như điện trở thuần trong phạm vi tần số cộng hưởng và hầu như không ảnh hưởng đến các thành phần tần số cơbản Do đó, SSD có thể tiêu tán năng lượng cộng hưởng và cung cấp giảm xóc tích cực cho SSCI

Trong [23] nghiên cứu SSCI của trang trại điện gió sử dụng DFIG với đường truyền

bù nối tiếp và đề xuất giải pháp STATCOM để làm giảm các dao động Điều này được thực hiện bằng cáchnghiên cứu mô hìnhđiểm chuẩn đầu tiên của IEEE (FBM)

để mô phỏng cộng hưởng dưới đồng bộ dưới dạng hệthốngthửnghiệm trên máy tính

sử dụng phần mềm PSCAD/EMTDC Phân tích được thực hiện trong cả miền thờigian và miền tần số để khảo sátcác tham số ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống

vàtạora các daođộng dưới đồng bộ không ổn định Kết quả mô phỏngthu được thỏa mãnkhi daođộng của nguồn và điện áp được giảmbớt cho các tìnhhuống khác nhau

Nghiên cứu [24], nhóm tác giả đề xuấtgiảm thiểu SSCI dựa trên thiết bị STATCOM

đểtăng biên độ ổn định củacác trang trại gió Mô hình kết hợp của STATCOM vói

bộ điều khiển giảm xóc bổ sung (SDC) được thực hiện và nó được chứng minhrằng

bộ điều khiển giảm xóc tăng thêm cho hệ thống Mối quan hệ giữa các thông số bộ điều khiển của SDC và hiệu suất giảm xóc đượcthảo luận và kết quả được mô phỏngbằng phần mềm PSCAD/EMTDC Cuối cùng, với trường hợptác động của sự cố ba pha gần vói trang trại điện gió được nghiêncứu và SDC cũng cóthể giảmbớt sựcộnghưởng trong tình huống này

Tài liệu [25], tác giả đề xuất một bộ điều khiển chế độ trượt phản hồi tuyến tính (FLSMC) phát triển chobộ chuyển đổi phía rotor (RSC) thông qua phản hồi tuyếntính hóagiảm thiểu SSCI Bộ điều khiển chế độ trượt và điều chỉnh tham số sửdụngthuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) Một trang trại điện gió sử dụng DFIG 100 MWkết nối lưới cóbù nối ti épđược áp dụng trong mô phỏng trên MATLAB/Simulink đểđánh giá hiệu quả của FLSMC được thiết kế ỏ các mức độ bù và tốc độ gió khác nhau.Hiệu suất của bộ điều khiển được thiết kế trong giảm xóc SSCI được so sánh với bộ điều khiển tích phân tỷ lệ và bộ điều khiển giảm xóc dao động dưới đồng bộ thông thường Bên cạnh khảnăng giảm xóc tốt hon, FLSMC được đề xuấtnâng cao độ tin cậy của hệthống dưới các biến thểthông số

Theo nghiên cứu [26] một kỹ thuật điều khiển dựa trên dữ liệu đồng bộ hóa (SDC) được đề xuất Bộ điều khiển làm giảm hiệu ứng máy phát cảm ứng, tưong tác xoắn

(TI) và hiệu ứng SSCI trên đường dây truyền tải bù nối tiếp tích hợpnhiều WF SDC cung cấp mộtđiều khiển giảmxóc SSR phụ trợ (SSRDC) với thiết bị bù nốitiếpkhiểnbằng thyristor (TCSC) SSRDC này sử dụng dữ liệu đồng bộ hóatừ điểm kếtnối WF của các điểm két nối chung (PCC) bên trong lưới để cải thiện việc giảm dao động SSR Phưong pháp đề xuất duy trì góc điện áp tham chiếu của các PCC bằng cách điều khiển trỏ kháng tưong đưong của lưới điện Trởkháng cungcấp giảmxóc đáng

kể cho SSRcùng với điều khiển TCSC SDC đề xuất được thử nghiệmcho hệ thống

39 nút New England đã được sửa đổi vói WFs và cho thấy làcó hiệu quả So sánh phưong pháp này với kiểm soát cục bộ thôngthường cho thấyhiệu quả vượt trội củanó

Tàiliệu [27], các tácgiảđềxuất chiến lượckiểm soát loại bỏ nhiễu chủ động (ADRC)

có thể tự động ước tính vàbù cho tổng nhiễu của hệthống trongthời gian thực đượcđưa vào bộ chuyển đổi phía rotor để giảm thiểu SSCItrong DFIG ADRC đượcthiết

kếdựa trên điều chỉnhtham số động và tối ưu hóanhiễu loạn Thực hiện mô phỏngmiền thời gian dựa trên mô hình chi tiết để đánh giá hiệu suất của ADRC được đềxuất tối ưu hóa (O-ADRC) so với trỏ kháng ảothông thườngvà ADRC Các kết quả

mô phỏng cho thấy O-ADRC có thể giảm thiểu hiệu quả SSCI trong các điều kiệnhoạt động khác nhau và cung cấp đủ giảm xóc chocác trang trại gió sửdụng DFIG

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứư

3.1 Đối tượng nghiên cứu

• Hệ thống máy phát điện gió DFIG, hệ thống bù nối tiếp đường dây truyền tải và các phần tử của lưới điện

• Hệ thống nghiên cứu điều chỉnh từ mô hình chuẩn đầu tiên của IEEE (FBM) cótích hợp HTĐ gió sử dụng tua bin DFIG kếtnối lưới có tụ bù nối tiếp

• Mô hình các thiếtbị GCSC giảm thiểu SSCI

3.2 Phạm vi nghiên cứu

• Nguyên cứu hiện tượng SSCI và đề xuất phương pháp giảm thiểu SSCI trên mô hình điều chỉnh từ mô hình chuẩn đầu tiên của IEEE (FBM) có tích hợp HTĐ gió

sử dụng tua bin DFIG trên phần mềm MATLAB/Simulink

• Xây dựng mô hình toán học các phần tử trong lưới điện tích hợpDFIG nghiên cứuSSCI: Mô hình DFIG, mô hình đường dây, mô hình nghiên cứu SSCI hệ thống DFIG kếtnối lưới có tụ bù nối tiếp,

• Xây dựng thuật toán điều khiển thiết bị GCSC

• Thựchiện đánh giá mức độ ảnh SSCI do lượngbù nối tiếp gây ra

4 Cách tiếp cận và phưong pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận

• Cơ sở lý thuyết, các nhiên cứu khoa học đã công bố

• Cơ sởtư liệu lý thuyết trên nền tảng khoa học đã được chứng minh

• Cơ sở toán học, lý thuyếtthuậttoán, mô hình hóa đối tượng

• Kết quả thí nghiệm mô phỏng, đưara đánh giánhận xét và kết luận

4.2 Phưong pháp nghiên cứu

• Phương pháp mô hình hóamô phỏng

• Phương pháp phân tích, tổng hợp, đánh giákiểm chứng

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Kếtquảthu được qua luận văn rất cóý nghĩa về mặtthực tiễn đời sốngxãhội Kết quả của luận văn có thể được dùng làm mô hình dạy học trong các môn học điều khiển HTĐ gió và mặt trời Môhình giúp cho sinh viên cũng như giáo viên có cách tiếp cận trực quan và thực tế hơn về năng lượng gió Ngoài ra, với thuật toán xâydựng dò tìm thông số cho bộ điều khiển GCSC sử dụng trong mô hình cũng có thể đượclàm côngcụ cho một số nghiên cứu liên quan vềđiều khiển thiết bị FACTS

Cấu trúc của luận văn được trình bày theotrình tự như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Chương 2: Cơ sởlý thuyết

Chương 3: Mô hình lưới điện tích hợp DFIG nghiên cứu SSCI

Chương 4: Phương phápđề xuất

Chương 5: Đánh giá các giải pháp ngănngừa

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH vực NGHIÊN cứu

SSCI là hiện tượng xảy ra khi các thành phần sử dụng thiết bị điện tử công suấtđược kếtnối lưới tương tác với các thành phần kếtnối lưới khác Nói một cách ngắn gọn,

sự tương tác này có thể được mô tảnhư một sự trao đổi năng lượng không kiểm soátđược SSCI cóthể gây mất ổn định lưới điện, gây hư hỏng các bộ phận trong WT vàmấtnguồn cungcấp điện

Luận văn nghiên cứu khảnăng giảm thiểu SSCI giữa các trang trại gió và đường dâytruyền tải bù nốitiếp bằng cách sử dụng bộ bù nốitiếp điều khiển bằng cổng (GCSC).Chương đầu tiên của luận văn này trình bày khái niệm về dao động dưới đồng bộ (SSO), cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR),tương tác điều khiển dưới đồngbộ (SSCI)bắt đầu vớicác sự kiện lịch sử và hậu quả của nó Sau đó trình bày tổng quan lịch sửpháttriển ngành công nghiệp gió và các loại WT với thị phần của các nhà sản xuất

WT hàng đầu trên thế giới

1.1 Dao động dưới đồng bộ (SSO)

Dao động dưới đồng bộ (SSO) là daođộng do một HTĐ đi quacótần số thấp hơn tần

số đồng bộ sso vềcơbản xảy ra do sự trao đổi năng lượng giữa hai hoặcnhiều bộ phận của HTĐ ở mộthoặc nhiều tần sốcủa hệ thống [28] Một HTĐ được tạo thành

từ nhiều thành phần cơ điện Các thànhphần điện cóthể được xem như là sự kết hợp nối tiếp hoặc song song củacác phần tử điện trở, điện dung hoặc điện cảm với mỗi

sự kết hợp có một tần số riêng cụ thể Tương tác giữacác bộ phận của hệ thống do

đó năng lượng được trao đổi, xảy ra khi hai bộ phận rơi vào điều kiện cộng hưởngvới nhau ở mộttần số cụ thể của dải dưới đồng bộ Sựtrao đổi năng lượngtrong điều kiện cộng hưởng được gọi là cộng hưởng dưới đồngbộ (SSR) SSR được phân loại thêm thành các loại khác nhau tùy thuộc vào bản chất của tươngtác Các loại sso khác nhau trong HTĐ được thể hiện trongHình 1.1

Hình 1.1 Phân loạicác hiện tượng sso [29]

1.2 Cộng hường dưới đồng bộ (SSR)

Theo định nghĩa chínhthức về cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) nó là mộtđiềukiệntrong HTĐ khi mạng điệntraođồi năng lượng với máypháttuabin ởmột hoặc nhiềutần số riêng của hệ thống kết hợp dưới tần số đồng bộ của hệ thống [30]

Trong SSR, các bộ phận điện và cơ của máy pháttua bin đạt được điều kiện cộng hưởng VỚI tụ bủ nối tiếp Do đó, SSR bao gồm cả phần cơ và phần điện củaHTĐ Trong quá trình SSR, trục của máypháttua bin khớp với cộng hưởngcơ của nóvớicộng hưởng điện của tụ điệnnối tiếp khi có kếtnối giữa cả hai Tần số cộng hưởngđiện fe của mộthệ thống xuyên tâm đơn giản như trong Hình 1.2 có thểđược tính là [30]:

(1.1)

Trong đó:

frlà tần số rotor trung bình, trong khix s , Xĩ, Xi và Xc lần lượt là điện kháng của máyphát, máybiến áp, đường dây tải điệnvà tụđiệnnối tiếp

Sựhiệndiện của dòng điện cộng hưởng có tằn số fetạoramômen xoắn và dòng điện

có tằn sị>frr trong cuộndây rotor vàtần số này có thểđượctínhnhư sau:

TầnSữfrr =fi - fe được gọi là tần số dưới đồng bộvà tần số/r = fỵ+feđược gọi là tần

số siêu đồng bộ Đối với rotor, dòng điện mạng dường như có hai thành phần, mộtthành phần của tần số dưới đồng bộ và thành phần còn lại có tần số siêu đồng bộ Tínhổn định của hệ thốngthường không bịđe dọa bởi các thành phần dòng điện củatằn số siêu đồng bộ vì các dòng điện nhưvậythường có độ suy giảm cao, tuynhiêncác thành phần dòng điện của tần số dưới đồng bộđôikhi đe dọa đến sự ổn định của

hệ thống

Hình 1.2 Sơ đồ đơn tuyến của một HTĐ đơn giản

Sự cố SSR tại Việt Nam được báo cáo xuấthiện vào ngày 24 tháng 11 năm 2015 trong dự án Nhàmáy nhiệt điện Vũng ÁngIbao gồmhai tuabin với tồng công suất

1200 MW Đe tăngkhả năng truyềntảiđiện năng trên đường dây và ồn định hệ thống,các đường dây truyền tải song song giữa thanh cái Vũng Ảng và trạm biến áp ĐàNang đượcbù bằng bộtụ nối tiếp tức là mứcbù55% Sự cố nàyđã gâyramột số vết nứt lớn trong máyphát của tồmáy số 1 như Hình 1.3 [20]

Hình 1.3 vết nứttrụctổ máy số 1 nhà máy Vũng Áng I, ViệtNam[20]

Theo [29], có baloại SSR là tương tácxoắn dưới đồng bộ (S3 TI), ảnhhưởng cảm ứngmáyphảtđiện(IGE)vàkhuếch đại mômen xoắn (TA) Tuy nhiên, vàothời điểm công trình nghiên cứu [29] được công bố, hiện tượng SSCI vẫn chưa xảy ra Tuy nhiên, bản chất của SSCI cho thấy nó có thể được coi lả một loại SSR khác, 33CI được mô tả chi tiếttrong phần tiếptheo

13 Tương tác điều khiển duới đồngbộ (SSCT)

3SCI chủ yếu là do tương tấcbấtlợi giữa bộ điềukhiển của thiết bị điện tử công suất (nhưhệ thốngtruyền tải điện cao áp một chiều (HVDC), thiết bị bù cổng suất phảnkháng (CSPK) tĩnh và các nguồn năng lượng tái tạo sửdựngbiếntầnnhư DFIG) và HTĐbù noi tiếp mả các thiết bị này đượckếtnoi [31-33] Giống như IGE, 3SCI cũngkhông bao gồmphần cơ học của hệ thống và chỉ xảy ra do sự tương tác trong cácphẩn điện So vói loại SSR hên quan đến cácbộ phận Cữ khí, 3SCI dược phát triển nhanh hơn vì chỉ làmộthiện tượng điệnhoàn toàn

Nghiên cứu cho thấy rang33CI về cơ bản làsự tương tácgiũabộ chuyển đỗi điện áp (VSC)và đườngtruyềnbùnốitiếp [8] Bộ điểu khiểncủa bộ chuyển đổi điệntửcổngsuất đóng một vai trò quan trọng trong việc gây na S3CI do đó tương tác này đượcgọi làtươngtàc điềukhiển Sựhỉnhthànhnhanh chóng của dao động do 33CI cũng

có thể được giải thích vớitính chấtnhanh chóng của bộ chuyển đổi điện tử công suất Hiện tượng SSCI không có các tần số được xác định rõ ràng như các loại SSR khác

vì tần số dao động trong SSCI không chỉ phụ thuộc vào cấu hình của đường dây truyền tải bù nối tiếp và các thông số hệ thống mà còn phụ thuộc vào cấu hình và thông số của bộ điều khiển

SSCI là một hiện tượngthuần điện và khôngxoắn, thường bị nhầm lẫn với IGE Sự khác biệt chính giữa cả hai hiện tượng này là sự tham gia của bộ điều khiển RSC, bộ điều khiển RSC đóng một vai trò trong việc tăng điện trở âm của máy phát và làm trầm trọng thêm IGE thành SSCI Điều này có nghĩa là nếu các bộ điều khiển củaRSCbị chặn trong DFIG thì SSCI sẽ không xảy ra Tuy nhiên, vẫn có nguy cơ IGE nếu điện trở tương đươngcủa hệ thống âm ở tần số mà điện kháng tương đươngtiếntới 0 [34, 35]

1.3.1 Phân loại hiện tượng SSCI

Dựa trên các thành phần hệ thống tham gia tương tác, SSCI có thể được chia thành hai loại:

• SSCI do sự tương tác giữa các bộ điều khiển bộ biến đổi của DFIG với mạng bùnối tiếp [31] Loại SSCI này cóthể xảy ra do mức bù nối tiếptăng đột ngột, tốcđộgió hoặc số lượng DFIG đang sử dụng giảm độtngột, chuyển đổi tụ điện nối tiếp trongcác điều kiện vận hành nhất định

• SSCI do sự tương tác giữa các bộ điều khiển bộ chuyển đổi của máy phát điện đồng bộ nam châmvĩnh cửu(PMSG)/máy phátnăng lượngmặt trời (PVG) và lưới điện xoay chiều yếu SSCI có thể xảy ra do số lượng lớn PMSG/PVG két nối hoặcmấtkếtnối lưới độtngột

1.3.2 Mốc thời gian của các sự kiện SSCI

Điều đáng nói là SSCI được coi là một vấn đề ổn định ở cấp độ hệ thống Các tínhnăng của SSCIbị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố khác nhaubao gồm tốc độ gió đầu vào, bức xạ mặt trời, số lượng bộ chuyển đổi thiết bị máy phát điện đang hoạt động,cấu hình lưới hoặc mứcbù, khảnăng tải của lưới vàlưới xoay chiều yếu Do đó, sự

không ổnđịnh cục bộ của các điều khiến bộ chuyển đổi do các tham số không chính xác không được coilà sSCI.

Trong thậpkỷ qua, một số sựcố về sSCI đã xảyra trong các HTĐ gió trên thế giới[36] Hình 1.4 hiển thị mốc thời gian của các sựkiện SSCI đã đượcbáo cáo Bên cạnh những vấn đề được báo cáo, còn có những vấn đề khác chưa được nghiên cứu rộng rãi hoặc chi tiếtchưa chia sẻ với cộng đồngkhoa học

PMSG Guyuan, Hebei, Haini Xinjiang,

fDFIG I

ERCOT, Texas, USA

PMSG

X

Hanii Xinjiang, China

PMSG

„ T

Hornsea offshore wind farms, UK

PMSG

X

Hami, Xinjiang

China

Hình 1.4 Mốc thờigian của SSCI được báo cáo giữa các trang trại điện gió và các

đường truyềnbùnối tiếp

Sự kiện SSCI đầu tiên được báo cáo vào năm 2007 trong hệ thống năng lượng gió Xcel Energy ở Minnesota, HoaKỳ [37, 38], Sự cố xảy ra khi mức bù lướiđược tăng lên do lỗi đường dây truyền tải khiến các trang trại gió sử dụng DFIG kết nối hướng tâmvới mạng truyềntải Tần số củasso do sự kiện SSCI làkhoảng 9 đến 13 Hz

Một sự việc SSCI tương tự đã được quan sátthấy trong HTĐ gió tại Hoa Kỳ Vào thời điểm đó không có hệ thống bảo vệ đặc hiệt nào chống lại sso Vào ngày 10tháng 10 năm 2009, một sự cố đãxảy ra tại trang trại gió Zorillo Gulf, hoạt động dưới

sự điều hành củaHội đồng Độ tin cậy ĐiệnTexas (ERCOT) cấu hình của HTĐ Nam Texasđược thể hiện trong Hình 1.5 hai trang trại gió được kết nối tại trạm biến áp

Zorillo sau đó kết nốixuyên tâm với trạm biến áp Ajo Đường dây 345 kv từ Nelson Sharpe đến Rio Hondo bao gồmhai đoạn đường dây Phân đoạn đầu tiên kết nối cáctrạm biến áp Nelson Sharpe và Ajo, trong khi phân đoạn thứhaikếtnối các trạm biến

áp Ajo và Rio Hondo Phân đoạn thứ hai có mức bù 90%

Hình 1.5 Sơ đồđon tuyến của một phần của hệthống truyềntải Nam Texas

Vàongày 22 tháng 10 năm 2009, đoạn đường dây Nelson Sharpe - Ajo đãbị lỗivĩnhviễnvà được thiết bị bảo vệ cách ly Kết quả là, cắu trúc liên kết mới dẫn đếnkết nối xuyên tâm của trang trại gió tại Zorillo thông qua Ajo với tụ điện nối tiếp tại Rio Hondo Trong cấu trúcliên kết mới này, đường dây Zorillo - Ajo - RioHondo có mức

bù tươngđương là 75% ở các mứcbùnày, trang trại gió DFIG-hoạt động như mộtđiện trở âmđối với các dòng điện không đồng bộ Hệ thống đã trải qua các dao động của tần số dưới đồng bộ từ 20 đến30 Hz do SSCI kíchhoạt trong dòng điệnvàđiện

áp Sau sự cố, dòng điện không đồng bộtăng nhanh lên 3 (p.u) trong 200 ms, điện áp của hệ thống đạttới 195% điện áp định mức trong mộtthời gian ngắn Tụ điện nối tiếp đã được bỏ qua sau khoảng 3 s tiếp theo sau đódao động giảm dần Kết quả củaSSCI, thành phần dao động dưới đồng bộ sso trong điện áp và dòng điện nhanh chóng tăng lên gâyra hư hỏng nghiêm trọng cho các tụđiện nối tiếp vàmạchbảo vệ Crowbar DFIG [39]

Vàonăm 2011, sự tương tác giữaPMSG và lưới điện xoay chiều yếu được xác địnhbởi tỷ lệ ngắn mạch thấp gây ra dao động tần số rấtthấp khoảng 4 Hz Sự việc SSCI xảy ratrong hệthống ERCOT ở Texas, HoaKỳ [40, 41].

Từ năm 2012 đến 2016, nhiều sựviệc SSCI đã được báo cáo trong HTĐgió Guyuan gây ra dao động dưới đồng bộ sso 6-9 Hz [31, 42] SSCI xảy ra khi năng lượng do NMĐ gió sử dụng DFIG tạo ra thấp do tốc độ gió thấp Cảm ứng máy phát điện vàtương tác điều khiển cùng tồn tại trong khi các điều khiển bộ chuyển đổi của DFIGđóng vai trò chính trongtương tác

Trongnăm 2014-2015, sựcố trong HTĐ gió Hami là do sựtươngtác trong các trangtrại gió sử dụng PMSG được kếtnối với lưới điện xoay chiều yếu, SSCI gây ra sso mạnh Bằng cách nào đó, tần số kích hoạt của sso được kích hoạt phù hợp với tần

số xoắn của các máy phát nhiệt điện gần đó và kích thích rung động xoắn nghiêmtrọng

Cấu trúc của HTĐ gió ERCOT khác docó thêm nhiều đường dây truyền tải điện vàtrang trại gió Vào năm 2017, SSCI với các tần số dao động khác nhau đã được đềcập Những sự việc này chủ yếu là do sự cố ngừng hoạt động củacác đường truyềntải điện khiếncác trang trại gió sử dụng DFIGbị kếtnối xuyên tâm Các SSCI xảyra vào năm 2017 đãđượcghi lại trong [43]

Một sự kiện SSCI gần đây đã xảy ra tại Vương quốcAnh vào ngày 9 tháng 8 năm

2019 [44] Sự tươngtáctrong trường hợp này được kích hoạt bởi sự xáo trộn trong

hệthống truyền hậu quảlàm giảm sản lượngđiện hoạt động củatrang trại gió Hornsea One từ 799 MW xuống còn 62 MW Hornsea One là một trang trại điện gió ngoài khơi cách bờ biển Yorkshire, Vương quốcAnh 120 km và bao gồm 174 WT côngsuất 7 MW mỗi tua bin Trang trại điện gió được chia thành ba cụm mỗi cụm 400

MW Mỗi khối kết nối vào trạm biến áp cao áp xoaychiều (HVAC) ngoài khơi củariêngnó và tất cả các trạm biến áp kết nối với một trạm bù phản kháng HVAC duy nhất Từ trạm này, công suất được truyền tải đến trạm biến áp trên bờ