Nghiên cứu ổn định điện áp trong lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện gió

CLDA: Chất lượng điện áp CCĐ: Cung cấp điện CĐXL: Chế độ ồác lập IM Induction Machine: MáỔ điện không đ ng bộ tốc độ cố định DạIM DoublỔ ạed Induction Machine: máỔ điện không đ ng bộ

Chương 0: M Đầu i

1 Mục đích và lý do chọn đề tài i

2 Nội dung và phương pháp nghiên c u i

3 Mục đích c a luận văn ii

4 Cấu trúc c a luận văn iii

Chương 1: T ng Quan Về Ngu n Đi n Ảió Và nh ảư ng C a Nó Đ n Ch Độ V n ảành Lưới Đi n Phợn Phối 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các kiểu tuabin gió 3

1.2.1 Cấu t o chung 3

1.2.2 Tuabin gió trục đ ng và trục ngang 4

1.3 Các lo i máỔ phát điện dùng trong tuabin gió 5

1.4 nh hưởng c a WP đến chế độ vận hành LĐPP 6

1.4.1 Bài toán đánh giá nh hưởng c a WP đến chất lượng điện năng LĐPP 6

1.4.2 Bài toán đ m b o chất lượng điện áp và n định điện áp c a LĐPP có WP 7

1.5 Nội dung nghiên c u c a luận văn 9

Chương 2: Nghiên C u n Định Đi n Áp Trong LĐPP Có K t Nối WP 11

2.1 Đặt vấn đề 11

2.2 Các bài toán phân tích n định điện áp khi có kết nối WP 11

2.2.1 n định điện áp nút có động cơ không đ ng bộ 11

2.2.2 n định điện áp nút phụ t i t ng hợp 13

2.2.3 n định điện áp nút có các máỔ phát đ ng bộ công suất nhỏ 13

2.2.4 n định điện áp nút có các máỔ điện không đ ng bộ (KĐB) 15

2.2.5 Nhận ồỨt chung 16

2.3 Mô hình máỔ điện không đ ng bộ tuabin gió 16

2.3.1 Ảiới thiệu 16

2.3.2 Mô hình máỔ điện không đ ng bộ tuabin gió lo i rôto l ng sóc 16

2.3.3 Mô hình máỔ điện không đ ng bộ tuabin gió lo i ngu n kỨp (DạIM) 19

2.3.4 Nhận ồỨt 22

2.3.5 Bài toán tìm điều kiện đầu và PBCS trong LĐPP có WP sử dụng máỔ điện không đ ng bộ 22

Chương 3: Nghiên C u CáẾ Tiêu Chuẩn, Phương Pháp Đánh Ảiá Ảiới ả n n Định Đi n Áp Nút K t Nối WP Không Đ ng Bộ 26

3.1.2 Xác định giới h n n định điện áp c a máỔ điện KĐB theo tiêu chuẩn thực

dụng 30

3.1.3 ảiện tượng sụp đ điện áp 31

3.2 Ví dụ minh họa 32

3.3 Các phương pháp đánh giá n định điện áp nút theo những kịch b n khác nhau khi có WP 36

3.3.1 Các phương pháp phân tích n định điện áp nút 36

3.3.2 Phương pháp phân tích giá trị riêng 36

3.3.3 Phương pháp phân tích n định điện áp theo đặc tính công suất - điện áp (đặc tính PU) 38

3.3.4 Nhận ồỨt về kh năng ng dụng 41

3.4 phương pháp ồác định giới h n n định điện áp t i nút kết nối WP không đ ng bộ trong LĐPP theo đặc tính PU 42

3.4.1 Nội dung phương pháp 42

3.4.2 Nghiên c u nh hưởng MBA điều chỉnh dưới t i (OLTC) và thiết bị bù công suất ph n kháng đến các giới h n n định điện áp nút kết nối WP không đ ng bộ 46

3.4.3 ng dụng tính toán 48

3.4.4 Nhận ồỨt chung 53

Chương 4: Phợn TíẾh n Định Đi n Áp Lưới Đi n Phợn Phối Vi t Nam Có K t Nối Ngu n Đi n Ảió 54

4.1 Đặt vấn đề 54

4.2 Phân tích n đinh điện áp lưới điện Ninh Thuận 2015 có kết nối ngu n điện gió (WP) 54

4.2.1 Đặc điểm hiện tr ng lưới điện Ninh Thuận 54

4.2.2 Phân tích n định điện áp nút kết nối WP với máỔ điện IM 56

4.2.2.1 Xác định điều kiện đầu 56

4.2.2.2 Kết qu phân tích n định nút kết nối bằng đặc tính PU 57

4.2.3 Phân tích n định điện áp nút kết nối WP với máỔ điện DạIM 59

4.2.3.1 Đặc tính n định điện áp c a WP khi điện áp đặt bằng điện áp danh định 59

4.2.3.2 Đặc tính n định điện áp c a WP khi điện áp đặt vào máỔ phát suỔ gi m 60

4.2.3.3 Nhận ồỨt chung 62

Tài Li u Tham Kh o 66

CLDA: Chất lượng điện áp

CCĐ: Cung cấp điện

CĐXL: Chế độ ồác lập

IM (Induction Machine): MáỔ điện không đ ng bộ tốc độ cố định

DạIM (DoublỔ ạed Induction Machine): máỔ điện không đ ng bộ ngu n kỨp ảTĐ: ảệ thống điện

KĐB: Không đ ng bộ

K dt : ảệ số dự trữ

LĐPP: Lưới điện phân phối

M gh : Mômen giới h n

P gh : Công suất giới h n

PU: Đường đặc tính n định điện áp công suất tác dụng - điện áp

QU: Đường đặc tính n định điện áp công suất ph n kháng - điện áp

s: ảệ số trượt

s gh : ảệ số trượt giới h n

U gh : Điện áp giới h n

WP (Wind power): ngu n điện gió

WT (Wind turbine): tuabin gió

X ả : Điện kháng tính từ nút kết nối WP đến nút hệ thống

Vấn đề nêu trên phần nào đư làm gi m độ an toàn và chất l ợng c a các LĐPP, nhất là một số khu vực nằm xa l ới điện Để khắc phục các hiện t ợng này, hệ thống điện cần ph i đ ợc tăng c ng công suất ngu n và kh năng t i c a đ ng dây Do đó, h ớng

gi i quyết đ ợc đánh giá là có nhiều hiệu qu và cũng là xu thế hiện nay là phát triển các ngu n điện phân tán (Distributed Generation - DG) nh : điêzel, thuỷ điện nhỏ, điện mặt

tr i, điện gió để cung cấp điện t i chỗ cho phụ t i, góp phần gi m áp lực về ngu n cho

l ới điện Quốc gia

n ớc ta trong th i gian gần đây, wind power ( WP ) đư và đang phát triển m nh

mẽ, một số l ợng lớn các ngu n WP đư đi vào vận hành Nh ng qua thực tế vận hành các LĐPP với những WP này cũng đư đặt ra nhiều vấn đề cần gi i quyết

Với sự đa d ng c a công nghệ máy phát điện phân tán, và sự phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên c a chúng đư gây ra một số nh h ng nhất định đến chất l ợng điện

áp và m c n định điện áp khu vực có WP kết nối l ới điện Bối c nh này đặt ra nhiều bài toán cần quan tâm nghiên c u nh : nh h ng c a ngu n phân tán đến chất l ợng điện áp, giới h n n định điện áp c a ngu n WP trong các LĐPP, gi i pháp để nâng cao

n định điện áp các vị trí kết nối ngu n WP với l ới điện

Đề tài luận văn đư chọn nhằm nghiên c u gi i quyết một số vấn đề liên quan đến các nội dung nói trên

ii

2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong thực tế, công tác thiết kế và vận hành các LĐPP có kết nối ngu n WP đư đặt

ra hàng lo t các yêu cầu liên quan nh : vấn đề đánh giá nh h ng đến các chỉ tiêu kinh tế

kỹ thuật khi WP tham gia vào quá trình cung cấp điện; về nh h ng c a WP đến m c độ

n định c a các nút kết nối WP trong LĐPP B i vì, khi l ới điện ngày càng phát triển

và sự tham gia ngày càng đa d ng c a ngu n điện WP thì các yêu cầu về nâng cao chất

l ợng điện năng, c i thiện độ tin cậy cung cấp điện và nâng cao m c n định chung c a

l ới điện cũng luôn đ ợc quan tâm chú ý Vì vậy bài toán nghiên c u m c độ n định điện áp c a LĐPP khi có ngu n WP và các ph ơng pháp đánh giá m c độ tin cậy trong

l ới điện có ngu n WP đ ợc đề xuất Yêu cầu này đ ợc thiết lập do đặc tính công suất

c a chúng phụ thuộc nhiều vào các yếu tố tự nhiên

Liên quan đến nội dung đánh giá m c độ n định điện áp, luận văn sẽ đánh giá

m c độ n định c a LĐPP khi có kết nối ngu n WP không đ ng bộ (KĐB) tuabin gió đây việc xem xét và đ m b o n định điện áp t i nút kết nối WP sẽ đ ợc đề cập, b i vì nút kết nối n định sẽ mang ý nghĩa đ m b o n định cho LĐPP, giúp ng i vận hành có thể nhận biết đ ợc các tình huống "nguy hiểm" có thể x y ra với LĐPP có WT không đ ng

bộ

Để thực hiện điều này, luận văn tiến hành xây dựng ph ơng pháp xác định các giới

h n n định điện áp dựa trên phép phân tích đặc tính n định PU trong LĐPP có kết nối

WP Kết qu c a điện áp và công suất giới h n khi đó là một hàm số phụ thuộc thông số phía l ới điện và WP (điện áp, hệ số tr ợt c a WT không đ ng bộ) Từ kết qu đó, áp dụng ph ơng pháp đánh giá n định điện áp nút đư xây dựng, luận văn đề xuất các gi i pháp nâng cao n định điện áp nút kết nối WT không đ ng bộ dựa trên các kịch b n quan tâm

3 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN

Đề tài nghiên c u xuất phát từ nhu cầu thực tế các l ới điện địa ph ơng, cho các

d ng ngu n WP đang phát triển m nh n ớc ta; do vậy nghiên c u có nhiều ý nghĩa thực tiễn khi ng dụng trong thực tế Nội dung ng dụng bao g m:

iii

- Luận văn xây dựng một công cụ tính toán giới h n n định điện áp t i nút kết nối

DG không đ ng bộ dựa trên đặc tính tĩnh c a chúng Kết hợp công cụ này với chỉ tiêu phân tích sụt áp nút, luận văn đư đánh giá và xác định các nút yếu trong LĐPP

có WP không đ ng bộ và đề xuất gi i pháp nâng cao m c n định

- Tính toán độ dự trữ n định cho từng kịch b n vận hành

Kết qu nội dung này đ ợc phân tích dựa trên l ới điện thực tế Ninh Thuận có kết nối ngu n điện gió, trong đó luận văn đề cập với β lo i máy phát điển hình c a tuabin gió:

lo i không đ ng bộ rôto l ng sóc và lo i không đ ng bộ rôto dây quấn

4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Cấu trúc luận văn bao g m phần m đầu, nội dung các ch ơng và kết luận chung:

Ch ơng β: Nghiên c u n định điện áp trong l ới điện phân phối có kết nối WP

Ch ơng γ: Nghiên c u các tiêu chuẩn, ph ơng pháp đánh giá giới h n n định điện

áp nút kết nối WP không đ ng bộ

Ch ơng 4: Phân tích n định điện áp l ới điện phân phối Việt Nam có kết nối ngu n điện gió, kết luận, đề xuất và tài liệu tham kh o

Ch ơng 5: Kết luận

Trang 1

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN

CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Tuy nhiên việc l m dụng ngu n năng l ợng này dẫn đến nhiều vấn đề:

- Trữ l ợng ngu n năng l ợng hóa th ch là hữu h n và nếu l ợng tiêu thụ năng

l ợng hóa th ch c a thế giới trong th i gian tới vẫn tăng thì dần dần chúng ta sẽ ph i phụ thuộc vào năng l ợng hóa th ch giá cao Khi giá c thị tr ng tăng lên việc ng dụng kỹ thuật khai thác tiên tiến hơn để lấy đ ợc năng l ợng hóa th ch từ những địa tầng sâu hơn cũng đ ợc đẩy m nh và nh vậy trữ l ợng năng l ợng hóa th ch có kh năng khai thác cũng sẽ tăng lên Nh ng nếu khai thác đến một nửa trữ l ợng c a mỗi mỏ thì dù trữ l ợng còn đó cũng sẽ dẫn đến suy gi m năng suất và có thể chuyển sang sụt gi m s n l ợng Tác h i c a việc sử dụng ngu n năng l ợng hóa th ch:

- Nhiên liệu hóa th ch nh dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ th i ra COβ, sulfur oxide (SOx), nitrogen oxide (NOx) Khi n ng độ c a COβ trong không khí tăng lên thì nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên Ng i ta dự đoán rằng nếu nhân lo i c tiếp tục đốt các nhiên liệu hóa th ch nh thế này và khí COβ vẫn tiếp tục tăng lên thì sau 100 năm, nhiệt độ trung bình c a trái đất sẽ tăng lên hai độ làm nh h ng rất lớn đối với trái đất

- Ngoài ra, SOx, NOx là nguyên nhân t o ra hiện t ợng m a acid gây ra những tác

h i to lớn đối với động thực vật trên trái đất

Năng l ợng đang sử dụng trên thế giới hiện nay nếu quy ra dầu thì gần 8,5 tỷ tấn, trong đó 40% là dầu, than kho ng β6% và khí thiên nhiên kho ng β4%, 10% là năng

l ợng khác L ợng tiêu thụ năng l ợng khác nhau tùy theo mỗi quốc gia các n ớc đang phát triển, cũng có nhiều n ớc l ợng tiêu thụ năng l ợng bình quân trên đầu ng i

Trang β

thấp hơn 1/10 so với các n ớc phát triển Nh ng sự gia tăng dân số và tăng tr ng kinh

tế c a các n ớc đang phát triển làm ng i ta dự báo rằng trong th i gian tới nhu cầu năng

l ợng c a thế giới tăng lên sẽ tập trung ch yếu các quốc gia đang phát triển

- T ng dân số thế giới năm 1996 vào kho ng 5,8 tỷ ng i, nh ng đ ợc dự báo đến năm β0β5 là 8 tỷ và sẽ đ t tới 9,8 tỷ vào năm β050, trong đó dân số c a các n ớc đang phát triển sẽ chiếm kho ng 80% Gi sử, m c tiêu thụ năng l ợng c a các n ớc đang phát triển sẽ tăng gấp β lần so với hiện nay thì chúng ta sẽ ph i đối mặt với một th i kỳ rất khó khăn trong việc đáp ng cung và cầu c a năng l ợng hóa th ch mà ch yếu là dầu mỏ và

r i ngu n tài nguyên hữu h n này đến một ngày nào đó sẽ rơi vào tình tr ng c n kiệt

- D ng năng l ợng thay thế cho nhiên liệu hóa th ch là năng l ợng mặt tr i, năng

l ợng từ s c gió, năng l ợng sóng biển… Các d ng năng l ợng mới này cần ph i phát triển, khai thác để sử dụng

Có một gi i pháp có thể nhanh chóng nâng cao s n l ợng điện, đáp ng nhu cầu điện năng trong một th i gian không lâu đó là xây dựng các tr m điện bằng s c gió Các máy phát điện lợi dụng s c gió đư đ ợc sử dụng nhiều các n ớc châu Âu, Mỹ và các n ớc công nghiệp phát triển khác

Việc nghiên c u và ng dụng về năng luợng gió cũng đư tiến hành rất nhiều nh ng phần lớn là nghiên c u ng dụng phát điện công suất lớn, kết nối với l ới điện quốc gia

và mục tiêu là phục vụ th ơng m i

Kết qu điều tra sơ bộ c a Bộ Công Th ơng cho thấy, 8,6% diện tích đất c a Việt Nam đ ợc đánh giá là những vùng có tiềm năng lớn để phát triển năng l ợng gió, nhất là các tỉnh phía Nam, ớc tính s n l ợng vào kho ng trên 1.780 MW Riêng t i Ninh Thuận, Bình Thuận, Trà Vinh và Sóc Trăng, t ng công suất khai thác ớc tính có thể lên tới 8.000 MW

Theo đánh giá c a các nhà khoa học, tiềm năng gió c a Việt Nam (trên độ cao 65 m) rất kh quan, ớc đ t 51γ.γ60 MW, lớn hơn β00 lần công suất nhà máy th y điện Sơn La

và hơn 10 lần t ng công suất dự báo c a ngành điện vào năm β0β0

Khi sử dụng năng l ợng gió có những thuận lợi nh sau:

- Gi m hoặc thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng l ợng

Trang γ

hóa th ch, năng l ợng h t nhân

- Không gây ô nhiễm môi tr ng khi tuabin vận hành s n xuất điện năng

- Là ngu n năng l ợng gần nh không bao gi c n kiệt

- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết

- Việc lắp đặt và xây dựng các tuabin gió t ơng đối nhanh

- Mặc dù chi phí t ng c a năng l ợng gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với ngu n năng l ợng truyền thống, nh ng nó không bị nh h ng b i giá nguyên liệu và sự gián đo n cung cấp

- T o ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng l ợng khác, khi cùng

s n xuất ra một đơn vị năng l ợng Một Megawatt điện gió cần từ β,5 – γ,0 nhân công làm việc

- Các tuabin gió mang l i nhiều lợi ích kinh tế cho nông dân và các ch đất từ ngu n thu cho thuê đất nơi đặt các máy phát điện gió, mà không làm nh h ng đến việc canh tác ngay trên m nh đất đó

Công nghệ năng l ợng gió có thể thay đ i cho nhiều ng dụng có công suất từ nhỏ đến lớn Th i gian từ khi kh o sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm đ ợc

Do vậy, với năng l ợng gió Việt Nam sẽ thuận lợi khi dùng các lo i máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ phù hợp với tiềm năng gió c a Việt Nam Những lo i máy phát điện gió công suất nhỏ phù hợp với các vùng nông thôn, các vùng h i đ o và những vùng có tốc độ gió trung bình thay đ i nhiều Khi đi vào s n xuất các lo i máy phát điện gió công suất nhỏ có hiệu suất cao thì th ng chi phí s n xuất khá cao và khó khăn trong việc s n xuất hàng lo t Vấn đề đặt ra là cần tìm đ ợc lo i máy phát điện có giá thành thấp, hiệu suất cao, điều khiển và vận hành dễ dàng

1.2 CÁC KIỂU TUABIN GIÓ

1.2.1 Cấu t o Ếhung

Tuabin gió sẽ chuyển đ i động lực c a gió thành năng l ợng cơ Năng l ợng cơ này có thể sử dụng cho những công việc nh là bơm n ớc, truyền động cho các máy nghiền l ơng thực hoặc cho một máy phát để có thể chuyển đ i từ năng l ợng cơ thành

Trang 4

năng l ợng điện

Thành phần chính c a tuabin gió phục vụ cho việc chuyển từ năng l ợng cơ thành năng l ợng điện nh hình 1.1

ảửnh 1.1: Sơ đ khối c a tuabin gió

Trong thực tế có hai lo i tuabin gió, đó là tuabin gió trục đ ng và tuabin gió trục ngang

1.2.2 Tuabin gió tr Ế đ ng và tr Ế ngang

Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho tuabin gió và đ ợc phân ra làm hai lo i cơ

b n: Tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đ ng Các cánh qu t gió th ng có các d ng hình dáng: cánh bu m, mái chèo, hình chén đều đ ợc dùng để “bắt” năng l ợng gió và

t o ra moment quay trục tuabin

Tuabin gió trục ngang có rotor kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang Số

l ợng cánh qu t có thể thay đ i, tuy nhiên thực tế cho thấy lo i γ cánh là có hiệu suất cao nhất Lo i tuabin này có các thành phần cấu t o nằm thẳng hàng với h ớng gió, cánh qu t quay sẽ truyền chuyển thông qua bộ truyền động tăng tốc và đến máy phát Lo i tuabin trục ngang không bị nh h ng b i sự xáo trộn lu ng khí, nh ng yêu cầu ph i có một hệ thống điều chỉnh h ớng gió bằng cơ khí để đ m b o các cánh qu t luôn luôn h ớng thẳng góc với chiều gió, hình 1.β a

Tuabin gió trục đ ng có cánh nằm dọc theo trục chính đ ng Lo i này không cần

ph i điều chỉnh cánh qu t theo h ớng gió và có thể ho t động bất kỳ h ớng gió nào Việc duy tu b o qu n và duy trì vận hành dễ dàng vì các bộ phận chính nh máy phát, hệ thống truyền động đều đ ợc đặt ngay trên mặt đất Tuy nhiên nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống, hình 1.β b

Trang 5

a) b)

ảửnh 1.2: Cấu t o cơ b n tuabin a) trục đ ng và b) trục ngang

1.3 CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG TRONG TUABIN GIÓ

Máy phát là một trong những thành phần quan trọng nhất c a hệ thống năng l ợng gió Ng ợc l i với các máy phát điện sử dụng năng l ợng thông th ng, máy phát điện

c a một tuabin gió làm việc theo m c năng l ợng dao động với các biến thể c a tốc độ gió Các lo i máy phát điện khác nhau đ ợc sử dụng cho máy phát gió, những tuabin gió nhỏ đ ợc trang bị một máy phát điện một chiều với công suất vài kW, những hệ thống lớn hơn thì sử dụng máy phát điện xoay chiều γ pha Trong những quy mô lớn thì hệ thống gió đ ợc tích hợp với l ới điện Máy phát điện xoay chiều γ pha là sự lựa chọn hợp lý nhất trong việc lắp đặt những tuabin gió Những máy phát này có thể là máy phát c m

ng (máy điện không đ ng bộ) hay máy phát đ ng bộ

Hầu hết các tuabin gió đ ợc trang bị máy phát c m ng Chúng thì đơn gi n, xây dựng dễ dàng và cung cấp những hiệu qu tốt những điều kiện vận hành khác nhau Máy phát c m ng t ơng đối rẻ tiền và ít yêu cầu về b o d ỡng và b o trì

Trang 6

1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN WP ĐẾN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LĐPP

Với các đặc tính công suất phát không n định và phụ thuộc điều kiện tự nhiên c a

WP (tốc độ gió) nên trong quá trình vận hành chúng gây ra những tác động nhất định đến chế độ vận hành LĐPP Do vậy, cho đến nay các nghiên c u cũng ch yếu tập trung xem xét các nh h ng mang tính địa ph ơng c a WP, các nh h ng này bao g m:

- nh h ng đến chất l ợng điện năng và n định điện áp đối với các LĐPP,

- nh h ng đến cấu hình l ới điện, đến phối hợp b o vệ rơle,

Các nh h ng mang tính hệ thống ( nh h ng đến tần số) ít đ ợc xem xét do quy

mô công suất c a WP th ng nhỏ hơn nhiều so với công suất chung c a hệ thống điện Cho đến nay hầu hết các nghiên c u đều tập trung vào việc phân tích tính hợp lý trong cung cấp điện và nh h ng đến chất l ợng điện năng khi kết nối WP Vì vậy, không chỉ Việt Nam mà nhiều n ớc khác thì vấn đề nâng cao tính hợp lý, c i thiện hiệu qu làm việc c a LĐPP có WP luôn đ ợc đặt lên hàng đầu Lý do dễ thấy là LĐPP luôn thay

đ i và m rộng, trong khi số l ợng WP tham gia ngày càng lớn và ngày càng đa d ng về công nghệ và ch ng lo i

1.4.1 Bài toán đánh giá nh hư ng Ế a WP đ n Ếhất ệư ng đi n năng LĐPP

Bài toán này th ng đ ợc xem xét bằng cách phân tích các chỉ tiêu về chất l ợng điện áp, t n thất công suất hay độ tin cậy cung cấp điện tr ớc và sau khi kết nối WP Do

đó để có những c m nhận rõ ràng hơn về những nh h ng đến chất l ợng điện năng từ các WP, rất cần thiết ph i có những kết qu mô phỏng thực tế

Với các chỉ tiêu đánh giá chất l ợng điện năng nói chung, nếu gọi XWP và Xk_WP lần

l ợt là các đ i l ợng đặc tr ng cho chất l ợng điện năng c a LĐPP khi hệ thống có và không có WP thì chỉ tiêu này đ ợc biểu diễn b i:

% =

Dựa vào giá trị và dấu c a X% cho phép đánh giá đ ợc nh h ng c a WP khi tham gia vào l ới điện, nó đặc tr ng cho việc đánh giá nh h ng c a WP đến chất l ợng điện áp, hiệu qu gi m t n thất công suất hoặc độ tin cậy CCĐ Công cụ này cho phép đánh giá

Trang 7

chất l ợng điện năng khá đơn gi n và hiệu qu , tuy nhiên với từng tr ng hợp cụ thể khi

mô t thực nghiệm ta cũng cần ph i có những ph ơng pháp xác định chỉ tiêu X một cách phù hợp

Chỉ tiêu đánh giá m c độ n định điện áp cũng thuộc nội dung bài toán này, tuy nhiên do tính chất ph c t p c a bài toán n định nên nó th ng đ ợc nghiên c u riêng biệt với các chỉ tiêu đánh giá chất l ợng điện năng thông th ng đây các chỉ số dùng

để phân tích đều dựa trên việc thiết lập công cụ đánh giá m c độ n định t i nút tr ớc và sau khi kết nối WP Cách tiếp cận để xây dựng các chỉ số này dựa trên việc gi i bài toán phân bố công suất, thiết lập ma trận Jacobi, xét dấu c a ma trận để thành lập các chỉ số n định hoặc phân tích dựa trên tiêu chuẩn n định thực dụng

1.4.2 Bài toán đ m b o Ếhất ệư ng đi n áp và n định đi n áp Ế a LĐPP Ếó WP

Bài toán này đ ợc đặt ra với nhiệm vụ đ m b o chất l ợng điện áp cho các phụ t i trong LĐPP khi có WP Sự khác biệt cơ b n đây là bài toán phân tích n định điện áp

th ng đ ợc đặt ra với các WP sử dụng máy điện KĐB, do kh năng phát công suất ph n kháng h n chế c a chúng Thực chất c a quá trình nghiên c u này là nghiên c u quá trình dẫn đến mất n định nút kết nối WP trong LĐPP, các đánh giá này th ng dựa trên các tiêu chuẩn n định

Với các h ớng tiếp cận tĩnh và động, có thể mô t bài toán phân tích n định điện

áp trong LĐPP có ngu n WP không đ ng bộ nh sau: Cho sơ đ LĐPP có WP không

đ ng bộ (hình 1.γ) hình này, T là nút kết nối chung các WP; HT là nút hệ thống; δ1 và

δβ lần l ợt là góc pha điện áp giữa nút HT và nút T Mục đích đây là xác định giới h n

n định điện áp t i nút T để tìm h ớng c i thiện m c n định điện áp nút

ảình 1.3 Sơ đ lưới điện phân phối có kết nối ngu n điện phân tán

Hiện có β h ớng chính để gi i quyết bài toán này:

Trang 8

Th nhất: Sử dụng mô hình chi tiết: mô t mối quan hệ công suất tác dụng, ph n kháng c a WP theo điện áp và hệ số tr ợt (s) Mô hình này c a WP đ ợc kết nối với LĐPP và các phụ t i t ng hợp, cho biến thiên thông số phía hệ thống theo h ớng mất n định để tìm giới h n làm việc c a phụ t i và WP

Theo h ớng này thì các phép tiếp cận động, phân tích giá trị trị riêng, hay ph ơng pháp tính liên tục chế độ xác lập th ng đ ợc ng dụng để phân tích Các phép kết hợp giữa mô phỏng tĩnh - động cũng đ ợc dùng rộng rưi để nghiên c u các vấn đề n định điện áp, có xét đến mô hình các thiết bị nh : máy phát, thiết bị bù, kích từ

Cách tiếp cận này th ng gặp các nghiên c u về l ới điện cao áp [6] có kết nối ngu n WP công suất lớn Kịch b n hay đặt ra đây là đ m b o n định điện áp và n định động cho WP khi xuất hiện các kích động lớn ngẫu nhiên x y ra trong HTĐ H ớng nghiên c u này cũng gặp một số khó khăn do mô hình bài toán ph c t p, xác định b i những hệ ph ơng trình tr ng thái xác lập hệ thống liên quan đến thông số c a máy điện

và các phần tử trong HTĐ Tuy nhiên do th ng đem l i kết qu khá chính xác nên khá nhiều nghiên c u đề cập theo cách tiếp cận này

Th hai: Đẳng trị các WP về một nút kết nối chung (nút T), coi nút này nh một nút PV hoặc PQ, sau đó sử dụng các công cụ gi i tích hoặc ch ơng trình mô phỏng để xác định giới h n n định điện áp nút quan tâm Thực chất c a phép biến đ i này là sử dụng mô hình quan hệ công suất giữa nút T và nút HT, sau đó thành lập biểu th c xác định điện áp và công suất giới h n khi mô hình phụ t i thay đ i

Với các WP có công suất nhỏ kết nối LĐPP, m c giới h n n định điện áp th ng

đ ợc đánh giá qua h ớng tiếp cận này [β], [4] nhằm tìm hiểu các đáp ng c a LĐPP và giới h n làm việc c a các nút khi có sự thay đ i công suất phát từ WP Thực tế, do WP là ngu n phát thiếu tính n định, công suất th ng khá nhỏ nên hầu hết các nghiên c u về

WP trong các HTĐ đều coi chúng nh một nút PQ Điều này cho phép có thể làm đơn

gi n hoá các sơ đ LĐPP ph c t p u điểm c a cách tiếp cận này là:

- Khối l ợng tính toán gi m đáng kể;

Trang 9

- Cho phép nghiên c u chất l ợng điện áp ngay t i nút kết nối chung (nhiều WP) và

có thể c a chính b n thân WP

Các u điểm trên đ ợc thể hiện rất rõ trong các nghiên c u về phối hợp b o vệ trên

l ới điện phân phối có WP, hay các bài toán phân tích chất l ợng điện áp, trong khi sai số

so với mô hình chi tiết không đáng kể Mặc dù còn một nh ợc điểm cần đ ợc khắc phục là: khó thể hiện các tính chất và đặc tr ng c a các WP khi quy đ i về nút t ơng đ ơng

Nh ng điều này sẽ đ ợc gi i quyết cơ b n nếu chúng ta tiến hành tính toán cụ thể cho từng th i điểm c a đặc tính công suất các ngu n WP và đ thị phụ t i

Có một h ớng khác, đó là kết hợp u điểm c a β cách tiếp cận trên Điều này cho phép kết hợp giữa phân tích trào l u công suất khi sử dụng mô hình đẳng trị và sử dụng các tiêu chuẩn n định thực dụng khi sử dụng mô chi tiết, từ đó đ a ra các kết qu chính xác hơn khi coi WP là các nút PQ hay PV Luận văn sẽ kết hơp u điểm c a β h ớng trên

để thiết lập mô hình nghiên c u n định t i nút kết nối WP

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Quy mô, công suất WP và LĐPP Việt Nam trong th i gian qua phát triển nhanh nhiều địa ph ơng Vì vậy luận văn sẽ đi sâu gi i quyết các vấn đề cấp thiết mà công tác vận hành Điện lực các địa ph ơng đang đặt ra là nghiên c u n định điện áp t i nút kết nối ngu n WP không đ ng bộ trong LĐPP và đề xuất các biện pháp nâng cao n định điện áp

Liên quan đến bài toán phân tích n định điện áp, bài toán này đ ợc đặt ra với các

WT sử dụng máy phát không đ ng bộ (lo i WT tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất n định điện áp nhất) Thực chất c a bài toán này là đánh giá nh h ng c a công suất ph n kháng trên l ới khi WT thay đ i công suất phát Sự thay đ i này đ ợc thể hiện qua hệ số

tr ợt (s) c a WT, giá trị này l i phụ thuộc điện áp t i nút kết nối WP Do đó sự thay đ i công suất c a WT sẽ có tác động nhất định đến sự làm việc bình th ng c a LĐPP, việc

đ m b o n định t i nút kết nối WP lúc này sẽ mang ý nghĩa đ m b o n định điện áp chung cho LĐPP

có thể mất n định) Đó cũng là những nội dung mấu chốt cho phép áp dụng những chỉ tiêu thực dụng để phân tích n định điện áp Trên tinh thần đó, trong phần này luận văn sẽ

đề cập gi i quyết các vấn đề:

- Xây dựng mô hình ngu n WP sử dụng máy điện không đ ng bộ và nghiên c u các ph ơng pháp, chỉ tiêu đánh giá giới h n n định điện áp nút kết nối WP trong LĐPP;

- Xây dựng ph ơng pháp đánh giá giới h n n định điện áp trong LĐPP có WP;

- Áp dụng tính toán thực tế cho LĐPP có WP Việt Nam Chi tiết các nội dung trên sẽ đ ợc trình bày trong các ch ơng tiếp theo c a luận văn

Trang 11

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN CÓ KẾT NỐI

NGUỒN ĐIỆN GIÓ

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

các l ới điện phân phối (LĐPP) không có kết nối ngu n điện phân tán (DG), hiện t ợng mất n định điện áp th ng x y ra khi tăng t i m nh hay thay đ i các điều kiện vận hành Các thay đ i đó làm cho quá trình gi m áp x y ra và có thể rơi vào tình

tr ng không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đ điện áp Nhân tố chính gây mất n định điện áp là LĐPP không có kh năng đáp ng nhu cầu công suất ph n kháng Các thông số

có liên quan đến sụp đ điện áp là công suất tác dụng và ph n kháng c a m ng điện

Khi có kết nối DG, nh : các ngu n thuỷ điện nhỏ, các cụm máy phát Điezel, các máy phát không đ ng bộ c a tuabin gió thì vấn đề này l i tr nên ph c t p hơn do các

WP th ng tiềm ẩn nhiều yếu tố gây mất n định điện áp Nếu các DG là máy phát đ ng

bộ thì nó có thể bị mất n định đ ng bộ ( n định góc lệch) Nếu DG là lo i không đ ng bộ thì nó không phát công suất ph n kháng (thậm chí tiêu thụ công suất ph n kháng), cho nên DG có thể nh h ng chung đến n định điện áp toàn l ới, đ ng th i có thể gây mất

n định t i chính b n thân nó b i không còn cân bằng mômen làm việc Đây chính là

tr ng hợp LĐPP kết nối ngu n WP với các máy điện không đ ng bộ (KĐB)

Do vậy, việc nghiên c u n định điện áp trong LĐPP có WP gắn với việc tìm hiểu

cơ chế gây mất n định điện áp, đ ng th i phân tích độ tin cậy làm việc n định (đ hệ số

dự trữ n định) c a b n thân các WP Ch ơng này ch yếu nghiên c u các vấn đề đ m

b o n định điện áp cho máy điện KĐB c a các tuabin gió làm việc trong LĐPP Tr ớc hết, luận văn sẽ phân tích n định điện áp trong LĐPP có máy điện KĐB, sau đó xây dựng công cụ phân tích n định điện áp t i nút kết nối chung

2.2 CÁC BÀI TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP KHI CÓ CÁC WP

2.2.1 n định đi n áp nút Ếó động Ếơ Ệhông đ ng bộ

n định điện áp nút có động cơ KĐB ( n định phụ t i), là kh năng làm việc lâu dài c a động cơ KĐB trong hệ thống điện khi điện áp lệch đáng kể so với điện áp danh định, hoặc khi cơ cấu truyền động quá t i Khi mất n định phụ t i, các động cơ KĐB có

ảình 2.1 Sơ đ thaỔ thế động cơ và quan hệ P m (s)

Ta xét điểm a: nếu vì một kích động nào đó hệ số tr ợt s tăng, công suất điện sẽ lớn hơn công suất c n cơ khí c a máy công cụ, động cơ sẽ quay nhanh lên, hệ số tr ợt s

gi m về trị số ban đầu Nếu kích động làm s gi m, thì công suất điện sẽ nhỏ hơn công suất

c n cơ khí, động cơ quay chậm l i, s tăng về giá trị ban đầu Nh vậy chế độ làm việc t i điểm a là n định Với điểm b: khi s tăng thì công suất điện nhỏ hơn công suất c n c a máy công cụ, động cơ (ĐC) quay chậm l i r i dừng hẳn, khi đó ĐC rơi vào tr ng thái nh

bị ngắn m ch, để lâu sẽ dẫn đến cháy ĐC Khi s gi m thì công suất điện lớn hơn công suất

cơ làm động cơ càng quay nhanh hơn và di chuyển về điểm a, nh vậy điểm b là điểm không n định

Nh vậy ĐC chỉ có thể làm việc với điểm cân bằng a Chế độ làm việc giới h n

c a ĐC theo đặc tính này th ng x y ra khi điện áp nút cung cấp gi m, dẫn đến công suất điện cực đ i Pm-gh cũng gi m đi và đến điện áp giới h n (Ugh) nào đó thì ĐC sẽ mất n định, t c sẽ ngừng quay Với tr ng hợp Pc ≠ hằng số thì giá trị Ugh sẽ thấp hơn nhiều

Khi l ới điện có các ĐC công suất lớn, điện áp trên cực ĐC sẽ biến đ i theo sự biến đ i c a công suất ĐC Đặc tính c a ĐC phụ thuộc điện áp nút cung cấp, nên nếu một nút có nhiều ĐC thì cũng có thể xem nh một ĐC đẳng trị đây chế độ giới h n không

ảình 2.2 đặc điểm sơ đ lưới điện trung áp

Với mỗi nút i, công suất ngu n chỉ do nhánh nối về phía ngu n cung cấp Tuy nhiên công suất t i (t ng công suất lấy ra từ nút) bao g m không những công suất phụ t i

t ng hợp t i nút mà còn c a nhánh lấy công suất ra từ nút này (cung cấp cho phụ t i phía sau) Nói khác đi t ơng quan đặc tính công suất nút phụ thuộc phụ t i toàn l ới Do đó dễ nhận thấy rằng kịch b n nguy hiểm nhất là kịch b n tăng đ ng th i công suất tác dụng t i mọi nút phụ t i trong l ới (theo cùng tỷ lệ) cho đến lúc mất n định Để xét đến nh

h ng gây sụt áp từ phía hệ thống, sơ đ tính toán lúc này cần xét đến t ng tr hệ thống (tính đ ợc thông qua công suất ngắn m ch)

2.2.3 n định đi n áp nút Ếó ẾáẾ máỔ phát đ ng bộ Ếông suất nhỏ

Trong tr ng hợp này thực chất là nghiên c u điều kiện n định máy phát công suất nhỏ trong khu vực thiếu công suất Chẳng h n LĐPP nhận điện từ hệ thống về qua

Trang 14

đ ng dây truyền t i, có máy phát th y điện nhỏ tham gia phát một phần công suất cho phụ t i lân cận Trong tr ng hợp này máy phát dễ bị mất n định khi phụ t i cao Ta hưy xét một sơ đ đơn gi n nh hình β.γ đây máy phát đ ng bộ công suất nhỏ không đ công suất để cung cấp cho phụ t i địa ph ơng, luôn có một công suất đáng kể truyền từ

đ ng dây về nút mới đ m b o đ ợc cân bằng công suất Gi thiết điện áp trên thanh cái

hệ thống (UHT) đ ợc giữ không đ i Hệ thống nhỏ đang xét đ ợc đẳng trị bằng một máy phát và một phụ t i tập trung Công suất PF, QF cấp đến nút phụ t i đ ợc coi là đư giới

h n có thể (đư cho) Khi đó t ơng quan cân bằng công suất tác dụng nh trên hình β.γb

ảình 2.3 ảệ thống điện có các máỔ phát đ ng bộ công suất nhỏ

Đặc tính công suất PF∑ = P11 + P1βm sin(δ - α1β) = P11 + P1β(δ) bao g m β thành phần: công suất nhận về từ đ ng dây P1β(δ) và thành phần không đ i P11 (bằng công suất phụ t i Pt cộng với t n hao) Vì hệ thống thiếu công suất nên PF < P11 và điểm cân bằng

n định ng với góc δ0 < 0 Dễ thấy, sự biến thiên phụ t i là yếu tố quan trọng nh h ng đến tính n định c a hệ thống, b i khi tăng (gi m) công suất phụ t i P11 đặc tính công suất

sẽ đ ợc nâng cao lên hay h thấp xuống nh h ng đến điểm cân bằng n định δ0 Ngoài

ra, khi gi m công suất tuabin (cũng có nghĩa là gi m công suất máy phát) cũng có nguy

Trang 15

cơ dẫn đến mất n định (điểm cân bằng h xuống chuyển dần đến trị số giới h n) Đặc tính này khác với n định máy phát các nhà máy điện lớn luôn phát công suất thừa vào

hệ thống, do đó cần ph i đ ợc tính toán phân tích đầy đ

2.2.4 n định đi n áp nút Ếó ẾáẾ máỔ đi n Ệhông đ ng bộ (KĐB)

Có β lo i máy điện KĐB ch yếu là: lo i rôto l ng sóc và lo i rôto dây quấn (hìnhβ.4) Máy điện KĐB rôto l ng sóc (hình β.4a) về nguyên tắc ho t động giống nh động cơ KĐB, nghĩa là: sẽ tiêu thụ công suất Q từ hệ thống để duy trì từ tr ng quay giữa cuộn stato và rôto Mômen kéo c a tuabin sẽ cân bằng với mômen điện từ (c n) t i điểm cân bằng n định b nh hình β.1b Máy điện có thể mất n định nếu tuabin tăng công suất quá giới h n Pm-gh (hình β.1b) hoặc điện áp l ới bị gi m thấp làm đặc tính công suất điện

từ h xuống Máy điện lo i này không có kh năng phát hay điều chỉnh công suất Q Với

lo i máy điện KĐB rôto dây quấn (hình β.4b), có kh năng cấp điện cho l ới từ rôto và stato, còn đ ợc gọi là máy điện KĐB ngu n kép (DFIM) Stato c a máy điện này nối trực tiếp với l ới điện còn rôto nối với l ới thông qua bộ biến đ i kiểu "back to back"

ảình 2.4a MáỔ điện KĐB rôto l ng sóc ảình 2.4b MáỔ điện KĐB rôto dâỔ quấn

Trong tr ng hợp chung, công suất ph n kháng c a máy điện KĐB phụ thuộc điện

áp nút kết nối và hệ số tr ợt: Q = f(U,s) Nếu vì nguyên nhân nào đó (từ phía hệ thống), điện áp t i nút kết nối suy gi m, sẽ dẫn đến công suất phát c a máy điện bị gi m, và kết

qu là quá trình dẫn đến mất n định điện áp càng diễn ra nhanh hơn Mặt khác khi điện

áp nút kết nối máy điện gi m, thì hệ số tr ợt tăng và công suất điện phát ra bị gi m theo Với m c độ suy gi m điện áp tới kho ng 70% điện áp danh định, quá 100ms thì máy điện

sẽ ph i th ng xuyên tách ra khỏi l ới bất kỳ lúc nào nhằm tránh tr ng hợp mất cân bằng công suất do máy phát điện lúc này tiêu thụ quá nhiều công suất Q Một cách t ng quát có thể thấy rằng: nếu điện áp nút kết nối suy gi m càng nhiều thì m c độ mất cân bằng công suất trên trục máy điện cũng tăng nhanh và rôto càng dễ dàng bị gia tốc hơn

Với các WP đ ng bộ có kh năng phát công suất ph n kháng và điều chỉnh điện

áp, việc đ m b o tính n định cho WP này trong LĐPP th ng dễ đ t đ ợc hiệu qu hơn nếu máy phát đ ợc trang bị hệ thống kích từ đ m nh (các thuỷ điện nhỏ) Nh ng với các

WP không đ ng bộ, nếu điện áp nút kết nối suy gi m thì kh năng tự điều chỉnh để tr về

tr ng thái làm việc bình th ng sẽ khó khăn hơn nhiều, b i b n thân chúng đư là ngu n tiêu thụ công suất Q, do đó nút kết nối này th ng là nút "yếu" trên ph ơng diện n định điện áp Chính vì vậy việc tính toán, xác định giới h n n định điện áp cho nút kết nối máy điện KĐB tuabin gió là mối quan tâm lớn nhất khi nghiên c u n định điện áp Đây cũng là lý do mà luận văn sẽ đề cập gi i quyết trong ch ơng này

2.3 MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ TUABIN GIÓ

2.3.1 Ảiới thi u

Công suất c a tuabin gió chia thành β lo i: công suất cơ và công suất điện Công suất cơ là đ i l ợng phụ thuộc điều kiện tự nhiên và kết cấu cơ khí c a tuabin một vị trí xác định, nơi có mật độ không khí là hằng số, công suất cơ c a tuabin chỉ phụ thuộc tốc độ gió đầu vào Khác với công suất cơ, công suất điện phụ thuộc nhiều vào thông số

c a máy điện Cụ thể là phụ thuộc điện tr và điện kháng c a b n thân chúng, trong đó điện kháng thay đ i theo hệ số tr ợt (đây là sự khác biệt so với máy điện đ ng bộ quen thuộc) Để phát công suất vào l ới điện thì tốc độ rôto ph i lớn hơn tốc độ đ ng bộ, và gây ra hệ số tr ợt s

2.3.2 Mô hửnh máỔ đi n Ệhông đ ng bộ tuabin gió ệo i rôto ệ ng sóẾ

Trong tr ng hợp t ng quát, sơ đ thay thế c a máy điện KĐB khi rôto quay đ ợc cho hình β.5 [γ] Sự biến thiên c a mômen theo hệ số tr ợt cho hình β.6

ảình 2.5 M ch điện thaỔ thế máỔ điện hình 2.6 quan hệ momen và hệ số

Với: U1 và I1 là điện áp định m c và dòng điện c a stato;

Uβ và Iβ là điện áp và dòng điện phía rôto đư quy đ i sang stato;

r1 và x1 là điện tr và điện kháng dây quấn stato;

rβ' và xβ' là điện tr và điện kháng m ch rôto và xm là điện kháng từ hoá

đây phụ t i là một điện tr gi t ng rβ'(1-s)/s Năng l ợng tiêu tán trên điện tr gi

t ng t ơng đ ơng với năng l ợng điện biến đ i thành cơ năng trên trục c a máy điện khi nó quay Với máy điện KĐB, do khe h không khí lớn nên dòng từ hoá lớn, do đó điện kháng từ hoá xm đ ợc giữ nguyên (bỏ qua điện tr rm), t n hao sắt đ ợc tính gộp vào

t n hao cơ, t n hao phụ Từ m ch điện thay thế hình β.5 ta có ph ơng trình:

̇ =

= + + +

Trang 18

=

=

(β.β)

ảình 2.7 M ch điện tương đương máỔ điện không đ ng bộ

Kết hợp với t ng tr phía stato máy phát sẽ tìm đ ợc công suất máy điện [11]:

+ + +

+ + +

Ph ơng trình công suất tác dụng và ph n kháng trên thể hiện nh h ng c a tốc

độ gió đến công suất phát c a máy điện, nói cách khác công suất c a máy điện phụ thuộc chính vào β thông số: hệ số tr ợt và điện áp nút kết nối Dễ nhận thấy: khi điện áp gi m thấp, đến một giá trị giới h n có thể gây mất n định do không giữ đ ợc cân bằng mômen Hơn nữa đặc tính mômen (hay công suất tác dụng) c a máy điện tr ng hợp này có sự

t ơng tự với động cơ KĐB Cụ thể: hình β.6 vẽ theo chiều d ơng công suất tác dụng tiêu thụ và hệ số tr ợt, đây dấu d ơng tính với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ đ ng bộ:

Nếu đ i dấu công suất (dấu d ơng với công suất phát) và tính hệ số tr ợt, ta sẽ có đặc tính hoàn toàn trùng với động cơ, các công th c tính toán không thay đ i (sẽ sử dụng khi tính toán về sau):

U r1+R(s) x1+X(s)

Trang 19

2.3.3 Mô hửnh máỔ đi n Ệhông đ ng bộ tuabin gió ệo i ngu n ỆỨp (DạIM)

Máy điện lo i này có kh năng cấp điện cho l ới từ rôto (thông qua bộ biến đ i công suất) và stato (hình β.8) Bộ biến đ i này cho phép DFIM làm việc trong c 4 góc phần t c a mặt phẳng ph c, nghĩa là DFIM có kh năng phát công suất Q về l ới (điều này khác với máy điện KĐB thông th ng) Công suất Q trao đ i giữa DFIM và

l ới có thể đ ợc điều khiển độc lập với công suất tác dụng

ảình 2.8 Mô hình và m ch điện tương đương máỔ điện

DFIM Bộ biến đ i công suất phía máy phát cho ta các thuận lợi sau:

 Có kh năng điều khiển công suất ph n kháng: DFIM có kh năng tiêu thụ/phát công suất ph n kháng về l ới, chẳng h n điều chỉnh điện áp (với các l ới điện yếu)

 Có thể hoàn toàn kích từ DFIM thông qua m ch rôto, độc lập với điện áp l ới

 Có kh năng điều khiển độc lập công suất tác dụng, công suất ph n kháng, điều khiển mômen, tốc độ máy phát hoặc điều khiển hệ số công suất đầu cực stato Mục đích chính c a bộ biến đ i phía l ới là để giữ cho điện áp DC-link không đ i DFIM

có kh năng ho t động với hệ số tr ợt trong một ph m vi tới ± γ0%, cho phép tận dụng tốt hơn ngu n năng l ợng gió Với DFIM, độ lớn c a mômen đặc tr ng cho độ lớn c a công suất phát ra (chế độ máy phát) và công suất lấy vào (chế độ động cơ) - hình β.9a

ảình 2.9 Đặc tính mômen - tốc độ và phân bố công suất trong máỔ điện DạIM

r1 U1

Trang β0

T ng công suất tác dụng c a máy điện cấp điện lên l ới là t ng công suất phía rôto

(Pr = -sPs) và stato (Ps) c a máy phát [6]:

PDFIM = Ps + Pr = (1-s).Ps (β.7) Phân bố công suất tác dụng giữa các cuộn dây stator và rotor c a DFIM phụ thuộc vào hệ số tr ợt Công suất qua m ch rôto (qua bộ biến đ i công suất) ng ợc dấu và xấp xỉ bằng tích số c a công suất cuộn stato với hệ số tr ợt

Tùy thuộc vào điều kiện vận hành c a hệ thống, công suất qua m ch rôto có thể đi theo hai chiều: từ l ới qua bộ biến đ i công suất đến rotor, Pr < 0, chế độ d ới đ ng bộ (hình β.9b) và ng ợc l i từ m ch roto qua bộ biến đ i công suất đến l ới, Pr > 0, chế độ trên

đ ng bộ (hình β.9c) Trong c hai tr ng hợp, m ch stator đều phát công suất về l ới,

Ps > 0 Do công suất ph n kháng phía rôto máy phát không đi qua bộ biến đ i, vì vậy

t ng công suất ph n kháng mà máy điện cấp lên l ới điện sẽ là t ng công suất ph n kháng phía stato và công suất ph n kháng bộ biến đ i phía l ới T ng công suất ph n kháng mà máy điện cấp lên l ới thực chất là công suất phía stato máy phát: QDFIM = Qs Từ hình β.8

có thể xác định đ ợc quan hệ giữa dòng điện với điện áp c a máy điện:

sẽ là

ZΣ(s) = [r1 + (rβ'/s)] +j[x1 + xβ'] = RΣ (s) +jXΣ (s)

Trang β1

r1

U 1 ∠

x1 xβ’ jxm

rβ’/s

U r /s∠ δ I1

b)

ảình 2.10 Sơ đ tương đương hình T và sơ đ đơn gi n c a DạIM

Từ sơ đ dễ dàng tính đ ợc công suất phía stato máy điện là [8]: Ps = Re[U1 ∗]

m ng β cửa, biểu diễn nh hình β.11

ảình 2.11 Mô hình m ng 2 cửa tương đương c a DạIM

Từ ph ơng trình (β.8), viết theo ma trận t ng tr , ta có:

̇ = + ++ + ̇̇ = [ ] ̇ (β.1β)

Hoặc cũng có thể biểu diễn qua ma trận t ng dẫn c a m ng β cửa t ơng đ ơng:

Nh vậy, tuỳ theo mục đích tính toán, có thể ghép nối m ng β cửa c a DFIM với

mô hình m ng β cửa phía l ới điện, t o thành sơ đ hoàn chỉnh nghiên c u các nh h ng

c a DFIM đến chế độ c a l ới điện

2.3.4 Nh n ồỨt

Đặc tính mômen c a máy điện KĐB khá dốc so với đặc tính động cơ KĐB, đó là

vì các WP này yêu cầu mômen kh i động nhỏ để đ m b o yêu cầu vận hành n định khi chúng làm việc (ph m vi thay đ i c a mômen theo hệ số tr ợt là khá nhỏ) Cũng với mô hình WP nh đư nêu thì có thể sẽ có β ph ơng th c vận hành máy điện KĐB tuabin gió: vận hành tự nhiên (không có các thiết bị điều chỉnh t i máy phát) và tr ng thái vận hành khi có các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp Tuy nhiên với c β ph ơng th c vận hành này thì công suất tác dụng c a máy điện luôn vẫn thay đ i theo sự biến thiên c a tốc độ gió, nên công suất ph n kháng cũng luôn thay đ i t ơng ng

Khi vận hành, nếu công suất ph n kháng nhận về luôn tỷ lệ với công suất phát tác dụng thì nút kết nối này có thể xem nh một nút PQ Trong tr ng hợp này, sau khi đư xác định đ ợc thông số về công suất, điện áp t i đầu cực máy phát, để tìm các chế độ làm việc giới h n chúng ta cần tính toán chi tiết cho từng th i điểm c a tốc độ gió trên đ ng đặc tính công suất bằng cách cho tăng dần công suất phát Khi hệ số tr ợt bắt đầu đ i dấu thì đó là chế độ giới h n c a máy điện Việc xác định trị số giới h n đ ợc thực hiện tr ớc hết nh gi i bài toán PBCS để tìm điều kiện đầu mỗi th i điểm Giá trị đầu sẽ là cơ s

để xác định giới h n điện áp, công suất và hệ số dự trữ n định c a hệ thống theo tốc độ gió mỗi th i điểm c a đ ng đặc tính

2.3.5 Bài toán tửm điều Ệi n đầu và PBCẮ trong LĐPP Ếó ngu n WP s ế ng máỔ đi n Ệhông đ ng bộ

Khi tính toán CĐXL thì mô hình ngu n và phụ t i đóng vai trò rất quan trọng, cần

đ ợc biểu thị bằng chính đặc tính công suất c a chúng Đối với riêng bài toán phân tích CĐXL c a l ới điện có WP không đ ng bộ, hiện có khá nhiều nghiên c u đư đề cập và cũng có nhiều mô hình nghiên c u khác nhau, phụ thuộc vào cấu trúc sơ đ , công nghệ

Trang βγ

thiết bị điều khiển, cấp điện áp c a l ới điện xem xét và lo i máy điện KĐB [β] Mặc dù

có nhiều cách tiếp cận khác nhau, nh ng cách th c chung nhất cho đến nay vẫn tuân theo nguyên tắc là: xác định hệ số tr ợt c a máy điện để làm tiền đề xác định l ợng công suất

ph n kháng mà máy điện tiêu thụ (hoặc phát ra), mà cơ s c a nó là từ chính các mô hình toán c a máy điện KĐB đư đ ợc trình bày mục trên Trong tr ng hợp t ng quát, hệ số

tr ợt đ ợc xác định từ điều kiện cân bằng công suất cơ và công suất điện, đ ợc tính toán

Gi i (β.14) đến (β.16) sẽ tìm đ ợc hệ số tr ợt Các b ớc tìm điều kiện đầu nh sau:

 B ớc 1: Từ vận tốc gió xác định, xác định đ ợc công suất tác dụng phát ra c a tuabin gió (theo đ ng đặc tính công suất đư biết tr ớc)

 B ớc β: Cho tr ớc một giá trị điện áp t i đầu cực máy điện WP

 B ớc γ: Từ giá trị công suất tác dụng ( b ớc 1) và điện áp đầu cực máy phát (

b ớc β), tiến hành tính toán hệ số tr ợt theo (β.14)

b ớc này, các hệ số K1 đến K4 đ ợc giữ nguyên khi tính toán Khi gi i ph ơng trình (β.14) sẽ thu đ ợc β giá trị c a s; ta chọn giá trị âm lớn nhất c a s (hoặc giá trị d ơng nhỏ nhất nếu lấy theo chiều ng ợc l i c a đặc tính mômen khi tính cho động cơ KĐB), b i vì

nó nằm trong vùng n định c a đặc tính mômen - tốc độ (hình β.6, hình β.9)

 B ớc 4: Tính toán công suất ph n kháng c a máy điện KĐB theo (β.4)

 B ớc 5: Gi i bài toán phân bố công suất (ph ơng pháp Newton Raphson), cập nhật

l i giá trị điện áp đầu cực máy phát, lặp l i từ b ớc γ cho đến khi hội tụ

Nếu gọi Pmi và Pri là công suất cơ và công suất điện phía rôto máy điện t i nút i thì hệ

ph ơng trình cân bằng viết cho nút kết nối th i trong bài toán PBCS có d ng:

Trang β4

với PHTi và QHTi là công suất ngu n th i;

PWPi và QWPi là công suất ngu n WP không đ ng bộ bơm vào nút th i;

PTi và QTi là công suất phụ t i nút th i;

Ui và Uj là biên độ điện áp nút th i và th j t ơng ng;

Gij và Bij là các thành phần c a t ng dẫn nối nút i với nút j;

δij và θij là độ lệch góc pha điện áp giữa nút i và nút j;

Trong tr ng hợp đơn gi n có một máy điện KĐB hoặc cụm WP đư đẳng trị kết nối LĐPP nh hình β.1β Nếu công suất tác dụng và ph n kháng c a máy điện đư biết, cho tr ớc điện áp phía hệ thống, chúng ta có thể xác định điện áp t i đầu cực máy điện hình này, UHT là điện áp phía hệ thống và UT là điện áp nút kết nối tuabin gió; Z là t ng

tr nối tuabin gió với hệ thống

ảình 2.12 Sơ đ lưới điện phân phối kết nối tuabin gió KĐB

Độ lệch điện áp giữa β nút có thể đ ợc mô t b i :

Trang β6

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC TIÊU CHUẨN, PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP NÚT KẾT NỐI WP KHÔNG ĐỒNG BỘ

3.1 QUÁ TRÌNH VẬT LÝ HIỆN TƯỢNG MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA MÁY

ĐIỆN KĐB

Nh trình bày trong mục β.γ, đặc tính mômen c a WP không đ ng bộ (t ơng tự động cơ KĐB) là phụ thuộc điện áp nút kết nối U và hệ số tr ợt s Quá trình vật lý c a hiện t ợng mất n định điện áp t i nút kết nối WP có thể gi i thích qua đặc tính tĩnh c a chúng

3.1.1 Tiêu Ếhuẩn n định

Với máy điện KĐB tuabin gió, đặc tính tĩnh là quan hệ: Mtĩnh = f(U, s) và đặc tính động: Mđộng = f(U, dU/dt, s, ds/dt) Thực chất đây là quan hệ giữa mômen điện từ với điện

áp cung cấp U và hệ số tr ợt s Khi U và s thay đ i chậm ta có đặc tính tĩnh Nếu gọi Mgh

là trị số mômen giới h n ng với hệ số tr ợt sgh thì quan hệ giữa đặc tính mômen tĩnh M(s)

ng với các điện áp cố định khác nhau c a nút cung cấp có d ng (t ơng tự với động cơ

nh ng đ i dấu mômen và hệ số tr ợt nh đư nêu):

Với điện áp cung cấp khác nhau, trị số Mgh thay đ i nhiều Giá trị c a Mgh và sgh có thể xác định theo mô hình đẳng trị c a máy điện KĐB (hình 1.1γa)

ảình 3.1 Mô hình ồâỔ dựng tiêu chuẩn n định cho máỔ điện KĐB kết nối LĐPP

đây t n thất không t i c a máy điện đ ợc mô t gần đúng bằng cách dịch chuyển

xm về thanh cái ngu n cấp Điện tr rβ' có thể xác định theo mômen t i khi m máy

U

xm rβ’/s a)

E

Máy điện sẽ không giữ đ ợc n định nếu Mcơ > Mgh (hình γ.β)

ảình 3.2 Đặc tính mômen theo hệ số trượt c a máỔ điện KĐB tuabin gió

Cũng theo (γ.4) dễ thấy điện áp nút l ới nút cung cấp có ý nghĩa hết s c quan trọng, trong khi nó l i phụ thuộc ph c t p vào sơ đ , đặc biệt là sự phụ thuộc vào chính

Trang β8

công suất ph n kháng tiêu thụ c a máy điện Ta hưy thiết lập đặc tính tiêu thụ công suất

ph n kháng c a máy điện Để đơn gi n ta coi xung quanh điểm làm việc có đặc tính công suất tác dụng P = const Khi ch a xét đến t n thất không t i ta có:

Nh vậy có thể coi Qs tỷ lệ với hệ số tr ợt s, và có thể đặc tính quan hệ Q(U) Từ

ph ơng trình (γ.γ) có thể tìm đ ợc các trị số s khi cho tr ớc E các giá trị khác nhau (gi i

ph ơng trình bậc β) Từ đó xây dựng đ ợc quan hệ s = f(E) nh hình γ.1b Đó cũng là

d ng đặc tính công suất ph n kháng Qs(E) hay Qs(U) (vì U = E) Khi xét đến t n thất không t i (tỷ lệ với bình ph ơng điện áp) ta có đặc tính Q(U)

Dễ thấy, không t n t i chế độ làm việc c a WP nếu U < Ugh Giới h n n định trong tr ng hợp này có thể viết là: dQ/dE = -∞ hay dE/dU = 0 Hai tiêu chuẩn này hoàn toàn t ơng đ ơng với tiêu chuẩn mômen giới h n Mcơ = Mgh hay dP/ds = 0

Với nút thuần tuý có WP KĐB, với mục đích kiểm tra điều kiện làm việc n định thì có thể chỉ sử dụng tiêu chuẩn cân bằng mômen hoặc β tiêu chuẩn t ơng đ ơng vừa nêu Tuy nhiên để áp dụng chung các phần mềm đánh giá n định điện áp, ng i ta còn

đ a về xét theo tiêu chuẩn cân bằng công suất ph n kháng nút dQ/dU < 0

Có thể phân tích nh sau: Với đặc tính mômen (hay công suất tác dụng) và đặc tính công suất ph n kháng, nh đư nêu ta có các tiêu chuẩn thực dụng đánh giá n định dP/ds, dQ/dE < 0 tr ng thái giới h n các điều kiện t ơng ng là dP/ds = 0 và dQ/dE = -

∞ Nhà bác học Nga П.C Жда в lần đầu tiên (19γ8) đư đề nghị sử dụng tiêu chuẩn dE/dU = 0 thay cho β tiêu chuẩn đư nêu Ý t ng c a ph ơng pháp là: khi tiến đến chế độ giới h n, các tiêu chuẩn dQ/dU = -∞ và dP/ds = 0 diễn ra đ ng th i, lúc đó trị số dE/dU sẽ

đi qua trị số 0 (hình γ.γa, b)

Trang β9

ảình 3.3 Tiêu chuẩn thực dụng phân tích n định

Từ sơ đ hình γ.1a cũng dễ ch ng minh điều này Thật vậy:

với QF = Iβ.XH + Q là công suất ph n kháng từ đầu ngu n Đ o hàm biểu th c (γ.6) theo

E ta nhận đ ợc:

= −

Nh vậy khi dQF/dE  -∞ thì dU/dE ∞ hay dE/dU 0; nghĩa là γ tiêu chuẩn hoàn toàn

t ơng đ ơng nhau

Ngoài ra ng i ta còn hay sử dụng tiêu chuẩn t ơng đ ơng khác d ng d∆Q/dU = 0 (∆Q

là biểu th c tính t ng đ i số công suất ph n kháng t i nút U) Tiêu chuẩn này có thể suy ra

từ tiêu chuẩn dE/dU Công suất ph n kháng từ ngu n đ a đến nút U là QFt(E, U), biểu

th c này hoàn toàn xác định b i các thông số E và U đư cho, không

phụ thuộc vào sơ đ phía sau Thật vậy:

P

P0

s0 sgh

b)dP/ds = 0

s

Trang γ0

hơn β tiêu chuẩn còn l i b i quan hệ Q với U là xác định khi biết đặc tính công suất t i nút U

3.1.2 XáẾ định giới h n n định đi n áp Ế a máỔ đi n KĐB theo tiêu Ếhuẩn thựẾ ế ng

Với nút có máy điện KĐB, dựa vào chính đặc tính công suất c a chúng, chúng ta

có thể tìm đ ợc các giới h n n định điện áp (mục trên) Thực tế chế độ làm việc giới h n

c a máy điện KĐB có thể đ t đ ợc theo β kịch b n: Th nhất: coi sơ đ là biết tr ớc, xem xét tr ng hợp khi máy điện KĐB đang làm việc thì tr ng thái làm việc cách xa giới h n công suất là bao nhiêu (độ dự trữ n định) Th hai là quan tâm đến các nguyên nhân (do các thay đ i trong HTĐ) làm cho điện áp nút cung cấp bị gi m xuống

Với LĐPP có WP thì cách th hai có nhiều kh năng x y ra hơn b i các kích động ngẫu nhiên x y ra trong hệ thống điện Khi điện áp nút cung cấp gi m thì PWPmax cũng

gi m theo và đến giới h n nào đó thì WP sẽ mất n định Điện áp giới h n Ugh