Chất lượng điện năng trên lưới điện khi chưa có và có sự kết nối của turbine gió tốc độ thay đổi DFIG và FRC-PMSG trong điều kiện vận hành bình thường cũng như khi có sự cố trên lưới điệ
TỔNG QUAN
Lịch sử phát triển turbine gió
Gió là một nguồn năng lƣợng sạch, miễn phí và vô tận Năng lƣợng gió đã đƣợc con người sử dụng cách đây hàng ngàn năm [1, 2] Nó đã được sử dụng chủ yếu trong các thuyền buồm, xay thóc, bơm nước và một số công việc khác để thay cho sức người
Turbine gió đầu tiên trên thế giới dùng để phát ra điện được xây dựng bởi một người Đan Mạch, Poul La Cour, năm 1891 Đan Mạch cũng là quốc gia đầu tiên sử dụng năng lượng gió để phát điện năm 1891 với turbine có đường kính 23 m Trước năm 1910 hàng trăm turbine gió với công suất từ 5 đến 25 kW đã hoạt động ở Đan Mạch [1, 2]
Bảng 1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật turbine gió trong thời kỳ đầu 1891-1958 Turbine and country
Cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 1970 càng làm cho năng lƣợng gió đƣợc đặc biệt quan tâm và các kỹ thuật turbine gió không ngừng đƣợc cải thiện và phát triển [2] Đồng thời chi phí lắp đặt đã giảm từ khoảng $1500/kW cho turbine loại 150 kW năm 1989 xuống khoảng $800/kW năm 2000 cho turbine loại 1650 kW.
Hình 1.1 Chi phí lắp đặt trên một kW của WT từ năm 1989 đến năm 2000
Nhìn chung công nghệ turbine gió trong những năm gần đây đã phát triển đáng kể Những sự phát triển kỹ thuật turbine gió nhƣ giảm chi phí sản xuất, tăng công suất cũng nhƣ hiệu suất, tăng độ tin cậy đã làm tăng tiềm năng mở rộng và sử dụng của năng lượng gió hiện nay, vì khi tốc độ gió tăng thì công suất cũng tăng, thường khi tốc độ gió tăng 10% thì công suất tăng 33% [3] Đặc biệt trong những năm đầu của thế kỷ 21 thì năng lƣợng gió càng đƣợc sử dụng rộng rãi với những kỹ thuật công nghệ tiên tiến, tăng về công suất, độ tin cậy và giảm già thành
Hình 1.2 Sự phát triển công nghệ turbine gió
Sơ lƣợc tình hình sử dụng năng lƣợng gió trên thế giới những năm gần đây
Điện gió là nguồn năng lượng tăng trưởng nhanh nhất trên thế giới Công suất lắp đặt trong những năm gần đây không ngừng gia tăng với tốc độ rất nhanh Chẳng hạn, năm 2009 công suất lắp đặt là 158908 MW, đầu năm 2010 lắp đặt thêm là 38265 MW, tính đến cuối năm 2010 là 197039 MW [4] Theo dự báo của các tổ chức năng lƣợng trên thế giới thì năng lƣợng gió toàn cầu sẽ vẫn còn tiếp tục gia tăng trong những năm tới đây
Hình 1.3 Công suất gió trên thế giới được lắp đặt và công suất lắp đặt hàng năm từ năm 1996 đến 2010
Biểu đồ dưới đây cho thấy top mười quốc gia lắp đặt mới turbine gió nhiều nhất trên thế giới trong năm 2010 Theo dự báo của tổ chức năng lƣợng thế giới (GWEC) thì năng lƣợng gió toàn cầu sẽ vẫn còn tiếp tục gia tăng trong những năm tới đây nhƣ hình 1.6
Hình 1.4 Top 10 Quốc gia dẫn đầu trong việc lắp đặt điện gió tính đến năm 2010 và lắp đặt mới trong năm 2010
Hình 1.5 Dự báo thị trường điện gió năm 2010-2015 một số khu vực trên thế giới
Tiềm năng phát triển năng lƣợng gió ở Việt Nam
Với bờ biển dài hơn 3000 km và nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, Việt Nam đƣợc cho là có tiềm năng rất lớn về gió Nguồn dữ liệu tiềm năng gió của Việt Nam đƣợc thu thập từ 150 trạm khí tƣợng thủy văn Tốc độ gió hàng năm đo đƣợc tại các trạm này là tương đối thấp, trong khoảng từ 2-3 m/s trong đất liền và 3 – 5 m/s tại khu vực ven biển, còn ở khu vực đảo thì tốc độ gió trung bình lên đến 5 – 8 m/s [5]
Tuy nhiên, dữ liệu gió do các trạm khí tƣợng thủy văn cung cấp, mặc dù có tính dài hạn, nhƣng đƣợc cho là không đáng tin cậy để đánh giá tiềm năng năng lƣợng gió trên diện rộng: vì các trạm khí tƣợng thủy văn này đƣợc đặt ở trong thành phố hoặc thị trấn, việc đo gió đƣợc tiến hành ở độ cao 10m và dữ liệu chỉ đƣợc đọc 4 lần/ ngày [5] Trong hình 1.7 bản đồ tài nguyên gió Việt Nam do trung tâm khí tƣợng thủy văn đo đƣợc ở độ cao 10m
Hình 1.6 Tài nguyên gió Việt Nam do trung tâm khí tượng thủy văn thực hiện
Trong năm 2001 Ngân hàng Thế giới (WB) tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước: Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam, nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió trong khu vực Bản nghiên cứu này, với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tƣợng thủy văn cùng với dữ liệu lấy từ mô hình mô phỏng MesoMap, đƣa ra ƣớc tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 65m và 30m cách mặt đất, tương ứng với độ cao của các turbine gió Nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới chỉ ra rằng Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất trong bốn nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam đƣợc ƣớc tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6 m/s ở độ cao 65m tương đương với tổng công suất 512 GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt (bảng 1.2 và hình 1.8 ) Tuy nhiên số liệu này có sự
HVTH: NGUYỄN HỮU KHA chênh lệch hơn so với số liệu quan trắc của EVN [4] Trong năm 2007 Bộ công thương với sự hỗ trợ của Ngân hàng Thế giới đã tiến hành đo gió trong thời gian hai năm Số liệu đo đạc này được Bộ Công thương sử dụng cho bản đồ atlat gió cho Việt Nam Kết quả tiềm năng gió ở độ cao 80m cho Việt Nam nhƣ trong bảng 1.2 [5]
Bảng 1 2 Tiềm năng gió Việt Nam ở độ cao 65m
Tốc độ gió trung bình
Hình 1.7 Tài nguyên gió Việt Nam và Khu vực
Bảng 1 3 Tiềm năng gió Việt Nam tại độ cao 80m
Tốc độ gió trung bình < 4 m/s 4-5 m/s 5-6m/s 6-7m/s 7-8m/s 8-9m/s >9 m/s Diện tích
Chính sách phát triển năng lƣợng tái tạo tại Việt Nam
Trước yêu cầu về phát triển điện gió, Chính phủ đã ban hành nhiều chính sách nhằm thúc đẩy sự phát triển đầu tƣ vào năng lƣợng gió, cụ thể nhƣ sau: a Giai đoạn phát triển dự án
Thuế nhập khẩu: hàng hóa dùng để hình thành tài sản cố định cho các dự án NLTT sẽ đƣợc miễn thuế nhập khẩu
Ƣu đãi về vồn đầu tƣ: chủ đầu tƣ dự án NLTT có thể vay đến 70% tổng mức vốn đầu tƣ từ Ngân hàng Phát triển Việt Nam (VDB) với lãi suất cho vay bằng lãi suất trái phiếu Chính phủ kỳ hạn 5 năm cộng thêm 1%/năm b Giai đoạn vận hành
Thuế thu nhập doanh nghiệp:10% trong thời hạn 15 năm, có thể kéo dài đến 30 năm, và miễn thuế 4 năm đầu tiên, giảm 50% trong 9 năm tiếp theo
Giá mua điện: áp dụng biểu giá chi phí tránh đƣợc
Phí sử dụng, thuê đất miễn phí
Phí bảo vệ môi trường miễn phí.[4]
Theo mục tiêu phát triển năng lƣợng tái tạo đƣợc đề ra trong chiến lƣợc phát triển năng lƣợng quốc gia tính theo tỷ lệ phần trăm của tổng lƣợng tiêu thụ đến năm 2020 là 5% và 2050 là 11% Công suất các nguồn năng lƣợng tái tạo giai đoạn 2009 - 2020 có xét đến 2030 ( Tổng sơ đồ 7) mục tiêu 2030 điện gió là 2100MW Tuy nhiên, mức độ phát triển của nó vƣợt xa so với quy hoạch trên, tổng công suất của các dự án điện gió đang đƣợc triển khai đã vƣợt mức 3000 MW [5].
Hiện trạng khai thác năng lƣợng gió ở Việt Nam
Bảng 1.4 cho thấy hiện trạng khai thác và sử dụng năng lƣợng gió cho phát điện ở Việt Nam., tổng công suất lắp đặt tính đến tháng 2/2011 khoảng 19 MW Trong đó dự án Công ty cổ phần năng lƣợng tái tạo Việt Nam (REVN) hiện có 12 turbine đã đƣợc nối lưới, với công suất 1.5 MW/turbine ở Bình Thuận đang được coi là dự án lớn nhất Việt Nam [5] Turbine gió 800 kW đƣợc lắp đặt ở đảo Bạch Long Vĩ là của Tây Ban
Nha sản xuất, đƣa vào vận hành năm 2004 nhƣng hiện nay đang ngƣng hoạt động do trục trặc về kỹ thuật
Bảng 1.4 Hiện trạng khai thác năng lƣợng gió tại Việt Nam
Ngoài ra còn rất nhiều dự án khác đang đƣợc triển khai ở những giai đoạn khác nhau, tại Ninh Thuận hiện đang có 9 nhà đầu tư, cả trong và ngoài nước, đã đăng ký phát triển hơn 1000 MW điện gió Tình hình phát triển các dự án điện gió Việt Nam tại thời điểm tháng 7/2010 đƣợc mô tả sơ lƣợc trong bảng 1.5 [4] chi tiết danh sách các dự án gió tại Việt Nam xem trong phụ lục A “Danh sách các dự án điện gió Việt Nam”
Bảng 1.5 Một số dự án gió đang đƣợc triển khai tại Việt Nam
Các nghiên cứu liên quan
Trong [1-6] cho thấy đƣợc tình hình khai thác năng lƣợng gió trên thế giới và Việt
Nam, trong [1, 7] đƣa ra so sánh giữa các loại turbine gió tốc độ cố định và tốc độ thay đổi cho thấy hai loại turbine gió tốc độ thay đổi DFIG và FRC-PMSG có nhiều thuận lợi hơn, đƣợc ứng dụng nhiều và sẽ tiếp tục gia tăng trong những năm tới, trong khi đó theo [4] thì năng lƣợng gió sẽ tiếp tục đƣợc gia tăng trong những năm tới đây Sự gia tăng của năng lượng gió trong lưới điện sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của lưới điện như ảnh hưởng đến thiết bị bảo vệ, tính ổn định, tổn thất của hệ thống phân phối và chất lượng điện trên lưới phân phối [8], sự kết nối của wind turbine có thể nâng cao tính ổn định và chất lượng điện áp, giảm tổn thất trên đường dây được thể hiện trong [8, 9, 10]
Tùy thuộc vào loại wind turbine và số lượng wind turbine mà nó có thể ảnh hưởng khác nhau đến điện áp, khi mà wind turbine cung cấp công suất phản kháng cho lưới thì có thể sẽ làm giảm tổn thất điện áp trên lưới, và ngược lại [8,9,11, 12,13 ], các đặc tính, điều khiển của turbine gió tốc độ thay đổi DFIG đề cập trong [7,14, 15, 16, 17] và FRC-PMSG trong [14,17] Mức độ gia tăng của DFIG và FRC-PMSG trong hệ thống giúp cải thiện điện áp tốt hơn, thì ngược lại nó lại có thể ảnh hưởng xấu đến ổn định tần
HVTH: NGUYỄN HỮU KHA số của hệ thống, nó có thể làm giảm quán tính của hệ thống làm cho tần số hệ thống sẽ dao động hơn khi có sự biến động về tần số tùy thuộc vào loại turbine gió ứng dụng và mức độ thâm nhập trong hệ thống đƣợc đề cập trong [18-23].
MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ
Turbine gió
Turbine gió tạo ra công suất bằng việc chuyển đổi động năng trong gió thành cơ năng quay Turbine gió thông thường được sử dụng là loại turbine gió trục ngang (HAWT) với hai cánh hoặc ba cánh
Hình 2.1 Turbine gió trục ngang (HAWT) upwwind(a), downwind(b) và turbine gió trục dọc(VAWT) loại Darrieus(c)
Công suất của một turbine gió đƣợc tính nhƣ sau: [1, 2, 10, 24]
Với PT là công suất của turbine gió (W), ρ là mật độ không khí (1.225 kg/m 3 ở 15 0 C, 1atm), A là tiết diện mà khối không khí di chuyển qua (m 2 ), v là vận tốc gió (m/s), và
C p là hiệu suất rotor, theo định luật Bezt thì hiệu suất rotor đạt cực đại là 59% Dưới những điều kiện hoạt động tốt thì một turbine gió cũng chỉ đạt ở mức 80% hiệu suất trên, tức là khoảng 40% công suất gió
Hình 2.2 cho thấy đường cong công suất theo vận tốc của gió và điều chỉnh công suất của turbine gió Ở vận tốc gió quá thấp, công suất sinh ra quá thấp, cho nên turbine gió không thể hoạt động được ở vận tốc này Thông thường một turbine gió có thể bắt đầu làm việc ở vận tốc gió từ 3-4m/s, vận tốc gió này gọi là cut in wind V c , nhƣ trong hình ta thấy khi vận tốc gió từ Vc đến vận tốc gió đạt giá trị định mức V R thì công suất tăng theo hàm bậc ba của vận tốc gió, khi vận tốc gió từ khoảng 12m/s đến 25m/s thì công suất turbine gió đƣợc điều chỉnh bằng giá trị định mức Khi vận tốc gió quá cao khoảng từ 25 m/s trở đi thì turbine gió ngƣng hoạt động để tránh nguy hại hệ turbine gió, vận tốc gió mà turbine gió ngừng hoạt động gọi là cut out wind speed V cut out hayV F [10].
Hình 2 2 Đường cong công suất theo vận tốc gió và điều chỉnh công suất của turbine gió
2.1.1 Turbine gió tốc độ cố định
Turbine gió tốc độ cố định là loại turbine mà tốc độ quay rotor của turbine gió đƣợc giữ cố định ( trong dải tốc độ khoảng 1% ) với mọi tốc độ gió, chúng đƣợc thiết kế để đạt đƣợc hiệu quả cao nhất cho mỗi đặc tính riêng của vận tốc gió Loại này thường dùng với loại máy phát cảm ứng rotor lồng sóc hay rotor dây quấn, nối trực tiếp với lưới điện thông qua soft stater và tụ bù
Hình 2.3 Turbine gió tốc độ cố định Loại này có ƣu điểm là cấu tạo đơn giản, vững chắc, chi phí thấp Tuy nhiên loại này có nhƣợc điểm là không thu đƣợc công suất tối đa khi vận tốc gió tăng, khi có sự biến đổi lớn về vận tốc gió nó sẽ ảnh hưởng lên hệ thống cơ của turbine và chất lượng điện năng không cao [1,10, 25, 26]
2.1.2 Turbine gió tốc độ thay đổi
Turbine gió tốc độ thay đổi là loại turbine gió mà tốc độ của nó có thể đƣợc thay đổi theo tốc độ của gió Turbine gió có tốc độ thay đổi đƣợc thiết kế để đạt đƣợc hiệu suất khí động lực lớn nhất trong phạm vi rộng của tốc độ gió Với tốc độ thay đổi, nó có thể đáp ứng liên tục (tăng tốc hoặc giảm tốc) tốc độ quay của turbine gió ứng với tốc độ của gió Máy phát turbine gió tốc độ thay đổi đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn hệ thống turbine gió tốc độ cố định Nó có thể đƣợc sử dụng với máy phát không đồng bộ (máy phát cảm ứng) hoặc máy phát đồng bộ (kích từ hoặc nam châm vĩnh cửu) Máy
HVTH: NGUYỄN HỮU KHA phát đồng bộ hoặc máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) có thể đƣợc thiết kế với đa cực nhằm không cần hộp số
Hình 2.4 Turbine gió tốc độ thay đổi Lợi ích của turbine gió tốc độ thay đổi là gia tăng năng lƣợng thu đƣợc từ gió, cải thiện chất lƣợng điện năng và giảm dao động cơ khí trong turbine gió Bất lợi là tổn thất trong bộ biến đổi công suất, sử dụng nhiều thiết bị hơn và tăng giá thành đầu tƣ
2.1.3 So sánh các loại turbine gió
Turbine gió đang được sử dụng hiện nay thường có bốn loại sau: Type A là turbine gió tốc độ cố định SCIG, type B là turbine gió tốc độ thay đổi loại máy phát cảm ứng rotor dây quấn có thể thay đổi điện trở rotor, ( thay đổi tốc độ trong dải hẹp 0- 10% trên tốc độ đồng bộ), type C là turbine gió tốc độ thay đổi DFIG, type D turbine gió tốc độ thay đổi full rate converter (PMSG/WRSG/WRIG)
Theo nghiên cứu của Petersons [7] như hình bên dưới ta thấy turbine gió tốc độ cố định loại máy phát cảm ứng có hiệu suất thấp, còn loại turbine gió tốc độ thay đổi với DFIG và PMSG (full rate converter) có hiệu suất khá cao
Hình 2.5 So sánh hiệu suất giữa các loại máy phát turbine gió
Với FSIG1, 2 lần lƣợt là turbine gió tốc độ cố định máy phát cảm ứng một và hai tốc độ, VSIG là turbine gió tốc độ thay đổi máy phát cảm ứng, DFIG turbine gió tốc độ thay đổi partly converter dùng máy phát cảm ứng rotor dây quấn và PMSG turbine gió tốc độ thay đổi full rate converter dùng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Ngoài ra, theo [1] so sánh thị phần của các loại turbine gió từ năm 1998 đến 2002 ta thấy turbine gió type C, D có chiều hướng gia tăng trong khi các loại type A, B có chiều hướng giảm
Bảng 2.1 So sánh thị phần của các loại turbine gió từ năm 1998 đến 2002
Từ những so sánh trên ta thấy hai loại tua bin gió có nhiều ƣu điểm nhất cũng nhƣ chiếm thị phần cao hiện nay là turbine gió tốc độ thay đổi DFIG và FRC-PMSG Cho nên trong luận văn này sẽ tập trung tìm hiểu, phân tích hai loại turbine gió này và mô phỏng chúng trên công cụ phần mềm PSCAD.
Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát nguồn kép DFIG
Turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát cảm ứng nguồn kép DFIG có cấu trúc đặc biệt là cả stator và rotor đều được nối vào lưới điện, stator được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor thì thông qua các bộ convertor (AC/DC/AC) nối với lưới như hình 2.6
Hình 2.6 Sơ đồ khối turbine gió DFIG nối lưới Rotor của DFIG có thể phát ra hoặc tiêu thụ công suất của lưới điện, tùy thuộc vào điều kiện làm việc ở vận tốc trên hoặc dưới đồng bộ Công suất của loại máy này có thể được truyền qua cả stator và rotor, thường thì công suất truyền qua phía rotor qua các bộ chuyển đổi là khoảng 20-30% công suất của máy, do đó giảm tổn thất qua các bộ chuyển đổi và giá thành hạ
2.2.1 Mô hình DFIG 2.2.1.1 Mối quan hệ giữa công suất cơ và các công suất điện trong DFIG
Hình 2.7 cho thấy mối quan hệ giữa công suất cơ và công suất điện của rotor và stator trong DFIG, với P m là công suất cơ đƣa vào từ turbine gió, P r là công suất phát ra bởi rotor đến các bộ chuyển đổi, Ps là công suất sinh ra bởi stator và P g là tổng công suất được sinh ra phía stator cộng với bộ chuyển đổi truyền tới lưới điện [14]
Hình 2.7 Mối quan hệ công suất trong DFIG
Bỏ qua tổn thất stator thì
Và bỏ qua tổn thất phía rotor
Kết hợp hai công thức trên, Ps có thể đƣợc trình bày nhƣ sau
Công thức trên có thể đƣợc biểu diễn theo mômen T nhƣ sau
Công suất stator và rotor có thể đƣợc liên hệ thông qua hệ số trƣợt s = (ωs – ω r )/ωs
Kết hợp các công thức, công suất cơ có thể đƣợc diễn đạt P m = P s + P r
Và tổng công suất truyền đến lưới, P g , thì được tính như sau
Khi s dương (ωs > ω r ) công suất cơ thấp hơn công suất stator, chế độ dưới đồng bộ, Pr
< 0, tức là công suất truyền từ lưới điện qua các bộ converter đến rotor
Tương tự, khi s 0 công suất truyền từ rotor đến lưới
Hình 2.8 Dòng công suất DFIG khi hoạt động trên (a) và dưới tốc độ đồng bộ(b)
Dải điều khiển của s quyết định kích cỡ của các bộ converter của DFIG và do một số giới hạn về mặt cơ khí cũng nhƣ một số giới hạn khác, dải tốc độ thực tế nó khoảng 0.7 đến 1.2 pu [14]
2.2.1.2 Mạch điện DFIG ở chế độ xác lập
Hình 2.9 cho thấy sơ đồ mạch điện ở chế độ xác lập của DFIG [14,1 ]
Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện DFIG ở chế độ xác lập ̇ ̇ ̇ ̇̇ (2 10) ̇ ̇ ̇ ̇ (2 11) ̇ ̇ (2 12) ̇ ̇ ̇ (2 13) ̇ và ̇ là điện áp pha stator và rotor [V], E r là sức điện động [V], là dòng điện stator [A], ̇ là dòng điện rotor [A], ̇ là dòng không tải [A], r r , r s là điện trở rotor và stator [Ω], xs, x r là cảm kháng rò stator và rotor [Ω], r m điện trở đặc trƣng cho tổn hao từ hóa [Ω], x m cảm kháng từ hóa [Ω], s là hệ số trƣợt
Sơ đồ mạch điện này cơ bản tính toán với giá trị rms của dòng điện và điện áp, có thể đƣợc áp dụng duy nhất cho chế độ xác lập của DFIG, việc điều khiển và phân tích máy điện thường được sử dụng trong hệ tọa độ dq sẽ được trình bày dưới đây
2.2.1.3 Mô hình DFIG trong trục tọa độ dq
Với hệ thống điện ba pha, sẽ có nhiều thuận lợi hơn trong việc điều khiển khi chúng ta chuyển từ ba thành phần a, b, c sang hai thành phần còn thành phần còn lại bằng không mà thông tin về các giá trị vẫn không đổi Việc chuyển đổi từ hệ trục tọa độ a, b, c sang hệ trục dq đƣợc đề cập trong [7, 15, 26 ]
Hình 2.10 Mối quan hệ giữa trục abc và trục dq Với θ là góc giữa trục abc và dq, w gen là tốc độ rotor máy phát
U ds , u qs , u dr , u qr , I ds , I qs , I dr , I qr và Ѱ ds , Ѱqs, Ѱdr, Ѱqr là điện áp [V], dòng điện [A], từ thông rò [Wb] của stator và rotor trong trục d và q, r r và r s là điện trở cuộn dây rotor và stator [Ω], L s , L r , L m là điện cảm stator, rotor, và hỗ cảm [H], L ls , L lr là điện cảm rò stator và rotor [H], w là vận tốc quay tham chiếu [rad/s], wr là vận tốc góc của rotor máy phát [rad/s], p là số đôi cặp cực
Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện DFIG trong trục d(a) và q (b)
2.2.2 Bộ biến đổi phía Rotor (Rotor Side Converter)
Rotor Side Converter có chức năng là điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát Máy phát cảm ứng DFIG đƣợc điều khiển trong hệ trục
HVTH: NGUYỄN HỮU KHA tọa độ quay dq, với trục d hướng theo vị trí vector từ thông stator như hình 2.12, theo cách này cả công suất tác dụng và phản kháng có thể đƣợc điều khiển [15, 16]
Trong đó , , , và , lần lƣợt là từ thông stator [Wb], điện áp [V], dòng điện [A] trong trục tọa độ αβ, ws là vận tốc góc độ điện của từ thông stator [rad/s]
Nhƣ trong hình 2.12 ta thấy là bằng không
Hình 2.12 Sơ đồ vector trong trục dq cho rotor side converter Do stator kết nối với lưới điện và ảnh hưởng của điện trở stator là nhỏ, nên từ thông stator có thể xem nhƣ là hằng số [15, 16] Với điều kiện đó mô hình DFIG có thể đƣợc viết lại nhƣ sau:
Với u s là độ lớn của điện áp pha stator [V], w s và w e là vận tốc góc điện của từ thông stator và của điện áp rotor [rad/s], Ѱ s là độ lớn của từ thông rò stator [Wb], i ms là dòng điện từ hóa của máy phát [A], Ls, L r , L m là điện cảm stator, rotor, và hỗ cảm [H]
Công suất tác dụng và phản kháng stator
Do điện áp stator là không đổi, công suất tác dụng và phản kháng stator là đƣợc điều khiển thông qua iqr và I dr Các dòng i qr và I dr có thể đƣợc điều khiển bằng u qr và u dr theo công thức trên Để thực hiện việc đóng cắt các khóa IGBT của bộ Converter phía rotor thì ta cần biết điện áp urd và u rq để từ đó thông qua phép biến đổi Park để có đƣợc điện áp ba pha abc bên phía rotor để đƣa ra tín hiệu đóng cắt các khóa, từ đó điều khiển công suất đầu ra của máy phát
Hình 2.10 cho thấy sơ đồ điều khiển vector cho rotor side converter, trong đó u * abcr là giá trị tham chiếu của điện áp ba pha của rotor [V], u * dr, u * qr là giá trị điện áp rotor tham chiếu trong hệ tọa độ dq [V], i * dr , i * qr là giá trị dòng điện rotor [A] tham chiếu trong trục d, q
Hình 2.13 Sơ đồ điều khiển vector cho bộ converter phía rotor
2.2.3 Bộ biến đổi phía lưới (Grid Side Converter)
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRÊN LƯỚI KHI CÓ SỰ THÂM NHẬP CỦA MÁY PHÁT GIÓ
Giới thiệu
Chất lƣợng điện năng có thể đƣợc định nghĩa nhiều cách khác nhau, thông thường thì chất lượng điện năng được định nghĩa là bất cứ vấn đề nào có liên quan đến điện áp, dòng điện, tần số khiến cho các thiết bị của người sử dụng điện không làm việc bình thường hay thậm chí hư hỏng [27] Xét trên quan điểm kỹ thuật thì điện lực chỉ có thể kiểm soát đƣợc chất lƣợng điện áp cung cấp, cho nên các tiêu chuẩn chất lƣợng điện đƣợc thể hiện qua biên độ, tần số, hình sin của điện áp [10, 27], Các vấn đề liên quan đến biến đổi điện áp (ngắn hạn, dài hạn, gián đoạn điện áp) nhƣ voltage sag, swell, over voltage, under voltage hay interuptions và tần số đƣợc đề cập trong IEEE 1159 [28] và trong [27, 29] Khi turbine gió được kết nối trong lưới điện nó cũng sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng điện tùy theo cấu trúc của lưới, các kỹ thuật turbine gió, và số lượng turbine gió [10, 12, 27, 29] Trong chương này sẽ trình bày ảnh hưởng của turbine gió đến điện áp và tần số của hệ thống.
Yêu cầu về mức độ tăng giảm điện áp
Trong mạng phân phối vấn đề chất lƣợng điện áp phải đƣợc đảm bảo, chất lƣợng điện áp có thể được đánh giá theo phương pháp độ lệch điện áp, thông thường trong điều kiện hoạt động bình thường điện áp không được vượt quá ±10% giá trị định mức [27, 29, 30] Tổn thất điện áp trong lưới phân phối trong sơ đồ đơn tuyến như hình 3.1
Hình 3 1 Sơ đồ đơn tuyến minh họa tổn thất điện áp trong lưới phân phối Tồn thất điện áp trên đường dây được cho bởi
Tuy nhiên trong mạng lưới phân phối thành phần thường nhỏ có thể bỏ qua, do đó tổn thất điện áp trong mạng phân phối có thể đƣợc tính theo công thức sau:
(3.2) Đối với trường hợp mạng có nhiều nút ta có thể tính tổn thất điện áp từ nút đầu nguồn đến phụ tải n cuối đường dây theo công thức tổng quát sau:
Khi turbine gió được kết nối vào lưới phân phối như hình bên dưới thì tổn thất điện áp có thể đƣợc tính nhƣ sau: [8]
Hình 3 2 Sơ đồ minh họa tổn thất điện áp trong lưới phân phối khi có turbine gió kết nối
P DG , Q DG là công suất tác dụng và phản kháng của DG, trong trường hợp này là wind turbine, P L ,Q L là công suất tác dụng và phản kháng của tải, U là điện áp dây định mức tại điểm mà turbine gió kết nối, Z LN = R LN +X LN là tổng trở của đường dây
Từ công thức trên ta thấy rằng sự có mặt của turbine gió có thể làm giảm tổn thất điện áp trên lưới điện, do đó có thể cải thiện chất lượng điện áp, có ích cho hệ thống, tuy nhiên nó cũng có thể làm tăng tổn thất điện áp, khi nó tiêu thụ công suất phản kháng, tùy thuộc vào loại turbine gió được sử dụng, sự ảnh hưởng này càng mạnh mẽ khi mà turbine gió đƣợc lắp đặt gần trung tâm phụ tải Việc kết nối turbine gió với hệ thống có thể làm cho điện áp tại điểm kết nối turbine gió tăng lên, sự tăng áp này phụ thuộc vào cấu trúc đường dây, tải trên đường dây, công suất bơm vào bởi turbine gió, số lượng và loại turbine gió đƣợc áp dụng [11, 12] Một số hiện tƣợng liên quan đến chất lƣợng điện áp theo tiêu chuẩn IEEE 1159 cho trong bảng 3.1
Bảng 3 1 voltage disturbances level and duration
Instantaneous 1.1 - 1.8 0.5 cycles – 30 cycles Momentary 1.1 – 1.4 pu 30 cycle – 3s
Trong suốt thời gian xảy ra sự cố và sau khi sự cố đƣợc loại trừ, thì sự gia tăng của turbine gió trong lưới điện cũng ảnh hưởng đến điện áp cũng như quá trình phục hồi điện áp, tùy thuộc vào loại turbine gió đƣợc sử dụng Các turbine gió đƣợc thiết kế trước đây không có khả năng duy trì kết nối ở điện áp và tần số thấp, tuy nhiên các turbine gió hiện đại đƣợc thiết kế có khả năng duy trì kết nối trong điều kiện điện áp và tần số thấp [21], nhìn chung sự có mặt của các loại turbine gió này sẽ cải thiện đƣợc điện áp trong suốt thời gian xảy ra và sau khi sự cố được loại trừ Sự ảnh hưởng của
HVTH: NGUYỄN HỮU KHA turbine gió tốc độ thay đổi DFIG và FRC-PMSG đến chất lƣợng điện áp sẽ đƣợc phân tích, trình bày chi tiết trong phần mô phỏng ở chương 4.
CÁC TRƯỜNG HỢP MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
Mô hình trong PSCAD
Mô hình lưới điện sử dụng trong nghiên cứu này được thể hiện như hình 4.1
Hình 4 1 Mô hình lưới điện
Hệ thống mô phỏng gồm 8 nút, một nguồn 25 MVA, 110kV, 50 Hz đƣợc kết nối với nút 1, thông qua máy biến áp 110/22kV, đường dây từ nút 2 đến nút 3 Line 23 có chiều dài 4 km, Line 37 dài 3 km và Line 25 dài 5km, tại các nút 4, 6, 8 mang tải 5 +j3 MVA,
∑Pload = 15 + j9 MVA thông qua các máy biến áp 22/0.42 kV
Bảng 4 1 Thông số của hệ thống
Nguồn S = 25 MVA, U = 110kV, fP Hz, x/r Đường dây phân phối - Đường dây phân phối có r 0 =0.17 Ω/km, x 0 =0.347Ω/km
- Đường dây Line23 dài 4km, R = 0.68Ω, x = 1.388Ω
- Đường dây line 37 có chiều dài 3km R = 0.51Ω, x = 1.041 Ω
- Đường dây line25 dài 5km R=0.85Ω, x= 1.735Ω
Máy biến áp - MBA S = 25 MVA, 110/23.1 kV, x%
- Các MBA tại các nút 3, 5, 7 có S=5.6 MVA, 22/0.42 kV, x%
Tải Tải tại mỗi nút 4, 6, 8 là 5MW và 3 MVar
4.1.2 Mô hình turbine gió tốc độ thay đổi DFIG trong PSCAD
Trong hình 4.2 minh họa sơ đồ khối tổng quát của DFIG trong PSCAD đƣợc xây dựng dựa trên các mô hình toán học đã được trình bày ở chương 2 Sơ đồ khối bao gồm các khối turbine gió, khối máy phát cảm ứng rotor dây quấn, khối converter và khối điều khiển, các khối này có thể đƣợc lấy từ thƣ viện PSCAD Việc xây dựng các khối cũng nhƣ điều khiển, các thông số của các khối đƣợc đề cập chi tiết trong phụ lục B
Hình 4 2 Mô hình turbine gió DFIG trong PSCAD
Bảng 4.2 Thông số máy phát DFIG
Công suất định mức 1.5 MW Điện áp định mức (L-L) 690 V
Tần số góc cơ bản 314.15 rad/s
Tỷ số vòng dây stator/rotor 0.433
J (2H) 0.85 s Điện trở stator 0.0054 pu Điện trở rotor 0.00607 pu
Cảm kháng rò stator 0.1 pu
Cảm kháng rò rotor 0.11 pu
4.1.3 Mô hình FR-PMSG trong PSCAD
Sơ đồ tổng quát của máy phát turbine gió FRC-PMSG nhƣ trong hình gồm khối turbine gió, bộ điều tốc, máy phát và các bộ converter Mô hình đƣợc xây dựng từ các khối trong thƣ viện PSCAD [32]
Hình 4 3 Khối FRC-PMSG trong PSCAD
Tốc độ định mức ở 50 Hz 2*π*f/100 = 3.1416 rad/s Công suất định mức 1.5 MW Điện áp định mức 0.69 kV
Dòng điện định mức In = Sn/(3*Vn) = 1500000/(3*690)r4.638 A
Chi tiết xây dựng và điều khiển các khối, thông số tính toán xem trong phụ lục B.
