Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

Từ các phân tích trên, đề tài luận văn “Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM’’ là thật sự cần thiết và có ý nghĩa, đặc biệt trong giai đoạn phá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

ĐINH VĂN TRUNG

VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ THIẾT BỊ BÙ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

ĐINH VĂN TRUNG

VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ THIẾT BỊ BÙ

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)

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đinh Văn Trung Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

I- Tên đề tài:

Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu tổng quan vận hành hệ thống điện

- Nghiên cứu nguồn điện năng lượng gió

- Nghiên cứu thiết bị bù STATCOM

- Nghiên cứu vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị

bù STATCOM

- Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Đinh Văn Trung

Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô của Trường Đại học Công nghệ Tp HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật HUTECH đã

hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn Thầy TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báo cho việc hoàn thành Luận văn này

Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ11, đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện Luận văn của em

Đinh Văn Trung

Hiện nay, năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên tái tạo có trữ lượng khá lớn ở nước ta Việc khai thác năng lượng này trong thời gian tới chắc chắn sẽ được đẩy mạnh nhờ vào các ưu thế vượt trội của nguồn năng lượng tái tạo này Ở những vùng có lưới điện quốc gia, điện gió sẽ được hòa vào lưới điện quốc gia Đây là một tất yếu và xu hướng phát triển của hệ thống điện thế giới nói chung và hệ thống điện Việt Nam nói riêng

Khi ấy, công tác vận hành và đảm bảo ổn định hệ thống điện càng trở nên khó khăn và phức tạp hơn Thách thức lớn nhất về mặt kỹ thuật là đặc điểm bất định của nguồn phát điện gió

Trong số các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất và ổn định của

hệ thống điện nói chung và hệ thống điện có sự tham gia của nguồn điện gió được khảo sát trong luận văn này nói riêng là việc sử dụng các hệ thống thiết bị truyền tải linh hoạt (FACTS, Flexible AC Transmission System), trong đó có

bộ bù đồng bộ tĩnh, STATCOM (Static Synchronous Compensator) là hướng giải pháp có tính hiệu quả cao

Từ các phân tích trên, đề tài luận văn “Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM’’ là thật sự cần thiết

và có ý nghĩa, đặc biệt trong giai đoạn phát triển của phụ tải như hiện nay tại Việt Nam Luận văn bao gồm các nội dung như sau:

+ Chương 1: Giới thiệu

+ Chương 2: Tổng quan bài toán vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

+ Chương 3: Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

+ Chương 4: Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Currently, wind energy is a renewable natural energy source with large reserves The exploitation of this energy will certainly be boosted by its superior advantages in the future In areas with the national grid, the wind power will be connected to the national grid This is a development trend of the world power system in general and Vietnam’s power system in particular

At the same time, the operation and maintenance of the power system is becoming more difficult and complex The biggest technical challenge is the uncertainty of the wind generator

Among the technical solutions for improving the efficiency and stability

of the power system in general and power system including wind energy sources in particular studied in this thesis are the use of Flexible AC Transmission System (FACTS), including Static Synchronous Compensator (STATCOM), is a highly efficient solution

From the above analysis, the topic, "Power system operation considering wind power system and STATCOM" is really necessary and meaningful, especially during the development phase of the load as in Vietnam today The thesis consists of the following contents:

+ Chapter 1: Introduction

+ Chapter 2: Literature review

+ Chapter 3: Power system operation considering wind power system and STATCOM

+ Chapter 4: Simulation result

+ Chapter 5: Conclusion and future work

MỤC LỤC

Mục lục i

Danh sách hình vẽ iv

Danh sách bảng x

Chương 1 - Giới thiệu 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 3

1.7 Bố cục của luận văn 3

Chương 2 - Tổng quan bài toán vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM 5

2.1 Giới thiệu 5

2.2 Các nghiên cứu trong nước 5

2.3 Các nghiên cứu nước ngoài 10

2.4 Kết luận 18

Chương 3 - Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM 19

3.1 Giới thiệu 19

3.2 Hệ thống điện 19

3.2.1 Giới thiệu hệ thống điện 19

3.2.2 Vận hành hệ thống điện truyền tải 20

3.3 Nguồn điện năng lượng gió 23

3.3.1 Năng lượng gió 23

3.3.2 Sự phân bố vận tốc gió 24

3.3.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor 25

3.3.4 Đường cong công suất tuabin gió 29

3.3.5 Các mô hình sản xuât điện từ năng lượng gió 30

3.3.6 Tuabin gió 34

3.3.7 Máy phát điện 39

3.3.8 Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu 40

3.3.9 Điều chỉnh tốc độ tuabin gió 42

3.3.10 Mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ 44

3.4 Hệ thống thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt 49

3.4.1 Giới thiệu 49

3.4.2 Phân loại các thiết bị FACTS 52

3.4.3 Vận hành và bảo dưỡng thiết bị FACTS 62

3.4.4 Chi phí đầu tư và lợi ích của thiết bị FACTS 63

3.4.5 Sự phát triển tương lai của thiết bị FACTS 69

3.5 Thiết bị bù STATCOM 69

3.5.1 Giới thiệu thiết bị bù STATCOM 69

3.5.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của thiết bị bù STATCOM 71

Chương 4 - Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM 77

4.1 Giới thiệu 77

4.2 Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM 77

4.2.1 Mô hình hóa và thông số của các phần tử trong mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM 77

4.2.2 Kết quả mô phỏng 91

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 117

5.1 Kết luận 117

5.2 Hướng phát triển tương lai 117

Tài liệu tham khảo 118

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ tuabin gió máy phát điện không

đồng bộ nguồn kép được sử dụng trong nghiên cứu của M Darabian

và A Jalilvand 10

Hình 2.2 Cấu trúc của bộ điều khiển tiên đoán mô hình 11

Hình 2.3 Sơ đồ khối của chiến lược điều khiển tiên đoán 11

Hình 2.4 Sơ đồ khảo sát đơn tuyến, 9 nút và 3 nguồn phát 12

Hình 2.5 Sơ đồ khối của hệ thống điện khảo sát trong nghiên cứu của R M M Pereira, A J C Pereira, C M M Ferreira và F P M Barbosa 13

Hình 2.6 Cấu trúc của thiết bị bù STATCOM được sử dụng trong nghiên cứu của R M M Pereira, A J C Pereira, C M M Ferreira và F P M Barbosa 13

Hình 2.7 Thời gian làm việc của tụ điện trong thiết bị bù STATCOM trong nghiên cứu của R M M Pereira, A J C Pereira, C M M Ferreira và F P M Barbosa 14

Hình 2.8 Đặc tính V - I của STATCOM 15

Hình 2.9 Khả năng trao đổi công suất phản kháng trong các điều kiện làm việc khác nhau của STATCOM 15

Hình 2.10 Cấu trúc cơ bản của STATCOM và mạch điều khiển 15

Hình 2.11 Sơ đồ khối điều khiển các thông số của bộ điều khiển PI bằng các thuật toán tối ưu hóa 16

Hình 2.12 Sơ đồ đơn tuyến trong nghiên cứu của E R Mauboy, T T Lie và T N Anderson 16

Hình 2.13 Sơ đồ khối của bộ điều khiển STATCOM tự điều chỉnh các hệ số dựa trên mạng nơ-rôn nhân tạo 17

Hình 2.14 Cấu trúc của một hệ thống điện 2 khu vực được kết nối với nhà máy điện gió tích hợp trên bờ và ngoài khơi, và thiết bị bù STATCOM 18

Hình 3.1 Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết 26

Hình 3.2 Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tuabin 27

Hình 3.3 Đường cong hiệu suất rotor Cp(λ, β) 28

Hình 3.4 Góc pitch của cánh quạt tuabin 28

Hình 3.5 Đường cong công suất của tuabin gió 29

Hình 3.6 Hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới 30

Hình 3.7 Hệ thống điện gió không có lưu trữ và nối lưới 31

Hình 3.8 Hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới 32

Hình 3.9 Hệ thống điện gió có lưu trữ, có máy phát dự phòng và không nối lưới 33

Hình 3.10 Các thành phần chính của tuabin gió 34

Hình 3.11 Hướng nhìn thẳng của tuabin gió 35

Hình 3.12 Hướng nhìn nghiêng của tuabin gió 35

Hình 3.13 Các dạng tuabin gió trục đứng 36

Hình 3.14 Các dạng tuabin gió trục ngang 37

Hình 3.15 Các loại trụ tháp 38

Hình 3.16 Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt 40

Hình 3.17 Bộ chỉnh lưu cưỡng bức 41

Hình 3.18 Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên 41

Hình 3.19 Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưởng bức 42

Hình 3.20 Hệ thống máy phát điện tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh giảm tốc 43

Hình 3.21 Hệ thống máy phát điện tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh theo độ nghiêng cánh tuabin 44

Hình 3.22 Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ 46

Hình 3.23 Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng bộ 47

Hình 3.24 Các bộ SVC thường gặp 53

Hình 3.25 Sơ đồ kết nối STATCOM với hệ thống 57

Hình 3.26 Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống 58

Hình 3.27 Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống 60

Hình 3.28 Sơ đồ kết nối IPFC với hệ thống 61

Hình 3.29 Sơ đồ kết nối TCPST với hệ thống 62

Hình 3.30 Chi phí và công suất của các thiết bị 64

Hình 3.31 Chi phí/giá khi công suất truyền tải tăng 66

Hình 3.32 Chi phí đầu tư cho đường dây truyền tải mới 67

Hình 3.33 Mạch tương đương một pha của STATCOM 71

Hình 3.34 Cấu trúc cơ bản của STATCOM 71

Hình 3.35 Nguyên lý hoạt động cơ bản của STATCOM 72

Hình 3.36 Nguyên lý trao đổi công suất của STATCOM 73

Hình 3.37 Nguyên lý bù của bộ bù tích cực 74

Hình 3.38 Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù 75

Hình 3.39 Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù 75

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM 77

Hình 4.2 Mô hình và thông số nguồn điện (120 kV, 50 Hz) 78

Hình 4.3 Thông số tổng trở nguồn 79

Hình 4.4 Mô hình và thông số của trạm biến áp 80

Hình 4.5 Mô hình và thông số của đường dây 25 km 82

Hình 4.6 Nhà máy điện gió 83

Hình 4.7 Thông số của tuabin gió 84

Hình 4.8 Thông số của máy phát điện tuabin gió 85

Hình 4.9 Đặc tính công suất của tuabin gió 86

Hình 4.10 Mô hình và thông số của máy biến áp nhà máy điện gió 87

Hình 4.11 Mô hình và thông số của đường dây nhà máy điện gió 89

Hình 4.12 Mô hình và thông số điều khiển của thiết bị bù STATCOM 90

Hình 4.13 Tốc độ gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 91

Hình 4.14 Góc nghiêng cánh tuabin gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 92

Hình 4.15 Tốc độ rotor của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp

hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 92 Hình 4.16 Điện áp của pha A tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ

thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 93 Hình 4.17 Công suất tác dụng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 93 Hình 4.18 Công suất phản kháng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 94 Hình 4.19 Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 94 Hình 4.20 Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong

trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù

STATCOM 95 Hình 4.21 Công suất tác dụng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong

trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù

STATCOM 95 Hình 4.22 Công suất phản kháng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù

STATCOM 96 Hình 4.23 Tốc độ gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 97 Hình 4.24 Góc nghiêng cánh tuabin gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù

STATCOM 98 Hình 4.25 Tốc độ rotor của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp

hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 98 Hình 4.26 Điện áp của pha A tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 99 Hình 4.27 Công suất tác dụng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 99 Hình 4.28 Công suất phản kháng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ

thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 100 Hình 4.29 Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 100 Hình 4.30 Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong

trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 101 Hình 4.31 Công suất tác dụng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong

trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 101 Hình 4.32 Công suất phản kháng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 102 Hình 4.33 Công suất phản kháng của STATCOM trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 102 Hình 4.34 Tốc độ gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp

hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 103 Hình 4.35 Góc nghiêng cánh tuabin gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù

STATCOM 104 Hình 4.36 Tốc độ rotor của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường

hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 104 Hình 4.37 Điện áp của pha A tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ

thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 105 Hình 4.38 Công suất tác dụng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ

thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 105 Hình 4.39 Công suất phản kháng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 106 Hình 4.40 Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 106 Hình 4.41 Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong

trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 107 Hình 4.42 Công suất tác dụng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong

trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 107 Hình 4.43 Công suất phản kháng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong

trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 108 Hình 4.44 Thông số của thiết bị bù STATCOM 109 Hình 4.45 Tốc độ gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp

hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 110 Hình 4.46 Góc nghiêng cánh tuabin gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 111 Hình 4.47 Tốc độ rotor của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp

hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 111 Hình 4.48 Điện áp của pha A tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ

thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 112 Hình 4.49 Công suất tác dụng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ

thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 112 Hình 4.50 Công suất phản kháng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 113 Hình 4.51 Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 113 Hình 4.52 Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong

trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM 114 Hình 4.53 Công suất tác dụng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong

trường hợp hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 114 Hình 4.54 Công suất phản kháng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 115 Hình 4.55 Công suất phản kháng của STATCOM trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM 115

độ cực kỳ khẩn cấp 21 Bảng 3.3 Tiêu chuẩn về ổn định hệ thống điện 23 Bảng 3.4 Ưu điểm của một số thiết bị FACTS 67 Bảng 3.5 Các trạng thái làm việc của hệ thống điện và ứng dụng của các thiết bị FACTS 68

Khi ấy, công tác vận hành và đảm bảo ổn định hệ thống điện càng trở nên khó khăn và phức tạp hơn Thách thức lớn nhất về mặt kỹ thuật là đặc điểm bất định của nguồn phát điện gió

Trong số các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất và ổn định của

hệ thống điện nói chung và hệ thống điện có sự tham gia của nguồn điện gió được khảo sát trong luận văn này nói riêng là việc sử dụng các hệ thống thiết bị truyền tải linh hoạt (FACTS, Flexible AC Transmission System), trong đó có

bộ bù đồng bộ tĩnh, STATCOM (Static Synchronous Compensator) là hướng giải pháp có tính hiệu quả cao Thiết bị này có khả năng đáp ứng nhanh và cho phép bù đắp nhanh chóng những thiếu hụt tạm thời về công suất phản kháng, đồng thời nâng cao hiệu suất và ổn định của các nhà máy điện gió khi có các sự

cố trong hệ thống điện khảo sát

Việc nghiên cứu bài toán bù công suất phản kháng cho hệ thống điện có xét nguồn điện gió sẽ mang lại các lợi ích lớn về kinh tế nhằm sử dụng triệt để nguồn năng lượng tái tạo này, cũng như có hiệu quả về mặt kỹ thuật trong việc giảm bớt áp lực gánh nặng của các nguồn điện truyền thống, đồng thời nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải

Từ các phân tích trên, đề tài luận văn “Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM’’ là thật sự cần thiết

và có ý nghĩa, đặc biệt trong giai đoạn phát triển của phụ tải như hiện nay tại Việt Nam

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong cơ cấu nguồn điện hiện tại, các nguồn điện truyền thống như thủy điện và nhiệt điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn năng lượng sơ cấp như nhiên liệu hóa thạch, nước Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao và đảm bảo điều kiện vận hành ổn định cho hệ thống

điện khi có các nguồn năng lượng tái tạo được kết nối vào thì đề tài “Vận hành

hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM”

được xem là cần thiết

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình của một hệ thống điện bao gồm:

- Hệ thống điện truyền thống;

- Hệ thống điện truyền thống có xét nguồn điện năng lượng gió;

- Hệ thống điện truyền thống có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết

bị bù STATCOM

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận văn được giới hạn trong các nội dung sau:

- Khảo sát tiềm năng, tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió

- Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến vận hành

hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù

- Nghiên cứu các đặc điểm của một hệ thống điện năng lượng gió

- Nghiên cứu các đặc điểm của thiết bị bù STATCOM

- Mô hình và mô phỏng một hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

- Nghiên cứu và phân tích vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM trên cơ sở các kết quả mô phỏng đạt được tương ứng với các kịch bản vận hành khác nhau

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như

sau:

- Nghiên cứu các đặc điểm của một hệ thống điện năng lượng gió

- Nghiên cứu các đặc điểm của thiết bị bù STATCOM

- Mô hình và mô phỏng một hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

- Nghiên cứu và phân tích vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

1.6 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu về vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

- Giả lập các kịch bản vận hành khác nhau cho một hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

- Phân tích vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

1.7 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 5 chương:

+ Chương 1: Giới thiệu

+ Chương 2: Tổng quan bài toán vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

+ Chương 3: Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

+ Chương 4: Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

về độ nhạy, cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc

2.2 Các nghiên cứu trong nước

Tác giả Hấu Ngọc Thành nghiên cứu áp dụng các hệ thống thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt cho bài toán điều khiển điện áp trong hệ thống điện, trong Luận văn Thạc sĩ, "Điều khiển điện áp cấp hai trong hệ thống có các thiết bị FACTS" [1] Hai trong số các thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt là SVC và STATCOM đã được tìm hiểu, nghiên cứu và phân tích Tác giả đã phát triển một chiến lược phối hợp điều khiển dựa trên tối ưu hóa ràng buộc, áp dụng vào điều khiển điện áp cấp hai trong các hệ thống điện có các bộ điều khiển FACTS dạng mắc song song Mục tiêu của chiến lược là áp dụng các thông tin có sẵn từ mạng diện rộng đo lường đại lượng phức Thông tin trong các bộ đo lường biên độ và góc pha của điện áp cho phép mô hình hệ thống tuyến tính được hình thành và sử dụng để phát triển chiến lược điều khiển Biểu thức dưới dạng toàn phương có số lượng các biến điều khiển tương đối thấp và các ràng buộc bất đẳng thức dạng tuyến tính cho phép đưa ra các kết quả một cách nhanh chóng và hiệu quả, đáp ứng được yêu cầu của điều khiển điện áp cấp hai Giải thuật trong chiến lược điều khiển đã được kiểm chứng bởi nhiều

nghiên cứu mô phỏng sử dụng hệ thống điện tiêu biểu Lời giải của bài toán phân bố công suất đã được sử dụng để kiểm chứng độ chính xác của phương pháp phối hợp điều khiển được đề nghị Khả năng ứng dụng thực tế của phương pháp trong hệ thống quản lý năng lượng EMS cũng đã được nghiên cứu trong luận văn Mặc dù, chiến lược phối hợp điều khiển phát triển có các

ưu điểm về các ứng dụng trực tuyến, nó cũng có các nhược điểm Mô hình điều khiển chỉ quan tâm đến một khía cạnh của an ninh hệ thống điện là biên độ điện áp Khía cạnh anh ninh hệ thống điện khác là dòng công suất trong mạch truyền tải, yếu tố ngày càng đóng vai trò quan trọng trong môi trường thị trường điện cạnh tranh sau khi tư nhân hóa và tái cơ cấu lại nền công nghiệp cung cấp điện năng, vẫn chưa được tính đến trong mô hình điều khiển Ngoài

ra, các thiết bị FACTS đóng vai trò quan trọng trong mô hình phối hợp điều khiển được phát triển trong phần này chỉ là các thiết bị bù mắc song song

Ở Việt Nam, hệ thống điện hiện tại chỉ có điều khiển sơ cấp, chưa có điều khiển cấp hai Do vậy, điện áp hệ thống có thể chưa tối ưu Nếu áp dụng điều khiển điện áp cấp hai sẽ đem lại kết quả tốt hơn về mặt điều khiển, đảm bảo được biên dạng điện áp hệ thống cũng như giảm tổn thất công suất trong toàn hệ thống điện Thêm vào đó, trong trường hợp nếu xét đến một hệ thống điện có sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời thì các kịch bản vận hành sẽ hoàn toàn khác

Tác giả Võ Tấn Lộc đã nghiên cứu và phân tích hệ thống điện trong trường hợp có xét đến thiết bị TCSC trong Luận văn Thạc sĩ, "Giải tích hệ thống điện phân phối hình tia có thiết bị FACTS - TSCS dùng giải thuật Line Flow-Based (LFB)" [2] Phương pháp LFB có các đặc điểm sau:

+ Phù hợp với mạng điện hình tia

+ Không cần thành lập ma trận Jacobi

+ Tích hợp dễ dàng với các thiết bị FACTS như: TCSC, SVC, TCVR, + Đối với cấu trúc hình tia và tính phân bố công suất thông thường không xét thiết bị FACTS và không có DG thi hoàn toàn có thể tính dòng công suất tác dụng và phản kháng trên các nhánh và điện áp tại các nút bằng phép

thế theo chiều tiến và lùi (backward and forward substitution) mà không cần phải nghịch đảo ma trận

+ Trong khảo sát thiết bị TCSC mục đích là chứng tỏ sự thuận lợi của giải thuật LFB trong việc tích hợp thiết bị TCSC trong việc điều chỉnh điện áp tại nút cuối của đường dây có đặt TCSC

+ Tác giả đã thực hiện kiểm tra kết quả bằng phương pháp phân bố công suất truyền thống Newton-Raphson Các kết quả cho thấy rằng độ sai lệch không cao như công suất nguồn, tổn thất công suất trên các nhánh, đặc biệt là điện áp tại các nút gần như trùng nhau

Tuy nhiên, hệ thống điện khảo sát trong nghiên cứu này là một hệ thống điện với các nguồn điện truyền thống và chưa có sự tích hợp của các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời,

Thêm vào đó, nghiên cứu cũng chưa đề cập đến vị trí đặt TCSC sao cho hiệu quả Cùng một hệ thống điện, nếu vị trí lắp đặt TCSC khác nhau thì sẽ cho các kết quả khác nhau Có những vị trí đặt cho kết quả rất tốt về kỹ thuật và trị

số điều chỉnh TCSC lại rất bé Trong khi đó, có những vị trí đặt TCSC cho kết quả ngược lại

Tác giả Vô Đôn Kim Quy cũng đã nghiên cứu các vấn đề liên quan đến thiết bị bù SVC trong hệ thống điện trong Luận văn Thạc sĩ, "Giải tích hệ thống phân phối hình tia với thiết bị bù SVC dùng giải thuật LFB" [3] Nhận thấy rằng, thiết bị bù có điều khiển SVC làm cho hệ thống điện vận hành linh hoạt trong các chế độ bình thường và sự cố; đồng thời làm tăng độ tin cậy và tính kinh tế trong vận hành của hệ thống điện lên rất nhiều Hơn nữa, việc sử dụng SVC trong hệ thống điện còn làm tăng chất lượng điện năng, đặc biệt tại các nút có phụ tải quan trọng cần yêu cầu cao về độ ổn định điện áp Trong nghiên cứu này, tác giả đã xét đến thiết bị SVC trong hệ thống điện và thuật toán LFB

đã được đề xuất áp dụng mà đã cho các kết quả có độ hội tụ tốt hơn các phương pháp phân bố công suất thông thường Tác giả đang đề xuất và nghiên cứu phân tích mạng điện phân phối Đây cũng là một trong những hạn chế của nghiên cứu

Tác giả Trương Minh Nhật Thạnh đã nghiên cứu và khảo sát các chế độ làm việc của bộ UPFC trên hệ thống điện, trong Luận văn Thạc sĩ, “Khảo sát các chế độ làm việc của bộ UPFC trên hệ thống điện” [4] Tác giả đã nghiên cứu ứng dụng các thiết bị FACTS vào trong hệ thống điện truyền tải mà đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, đặc biệt là các lợi ích về truyền tải điện năng một cách hiệu quả, tăng độ tin cậy cung cấp điện và giảm các giao động

hệ thống Các thiết bị FACTS đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt phổ biến trên thế giới với rất nhiều chủng loại tương ứng với các thông số điều khiển trong

hệ thống điện Việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào mục đích điều khiển, hiện trạng liên kết lưới điện và tính toán các chi phí đầu tư xây dựng và lợi ích về kinh tế mà thiết bị FACTS mang lại Tác giả đã thực hiện mô phỏng các chế độ làm việc của thiết bị UPFC phục vụ cho việc xây dựng các đường đặc tính biểu thị mối quan hệ giữa các thông số của bộ UPFC Thêm vào đó, tác giả cũng đã xây dựng được mô hình tính toán của thiết bị UPFC với các dòng công suất bơm vào các nút Đây là cơ sở để đưa vào mô hình tính toán các bài toán giải tích mạng điện của các hệ thống điện có lắp đặt thiết bị UPFC trên các đường dây truyền tải Kết quả cho thấy đối với các đường dây truyền tải có lắp đặt thiết bị UPFC, dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng trên đường dây

có thể được điều khiển một cách linh hoạt, ngay cả có thể khống chế được dòng công suất chạy trên đường dây cố định khi công suất phụ tải và nguồn thay đổi Tuy nhiên, có thể nhận thấy rằng vẫn còn các vấn đề khác mà cần được quan tâm hơn trong nghiên cứu này như:

+ Sử dụng bộ UPFC làm giảm giao động cho hệ thống;

+ Những tác động của UPFC khi đường dây vận hành bị sự cố;

+ Kết hợp UPFC với các thiết bị FACTS khác trong điều khiển tối ưu công suất truyền tải của hệ thống;

+ Lựa chọn vị trí tối ưu để lắp đặt các thiết bị FACTS

Tác giả Lê Minh Nhựt đã nghiên cứu ứng dụng UPFC trong điều khiển điện áp và dòng công suất trong Luận văn Thạc sĩ, “Ứng dụng UPFC trong điều khiển điện áp và dòng công suất” [5] Tác giả đã trình bày nguyên lý, cấu tạo và hoạt động của thiết bị UPFC trong hệ thống điện và các mô hình của

UPFC ở chế độ xác lập Trên cơ sở đó, tác giả đã đề xuất xây dựng một mô hình UPFC ở chế độ xác lập Ưu điểm chính của mô hình này là chỉ sử dụng điện áp nút như là biến trong việc hình thành các phương trình Mô hình đề xuất biểu diễn dưới dạng một tập ràng buộc các đẳng thức và bất đẳng thức mà

có thể được xem là một trong những mô hình toàn diện và linh hoạt phù hợp cho phân tích ở chế độ xác lập của hệ thống điện Tác giả đã sử dụng phương pháp Newton Raphton để phân bố công suất tối ưu hóa và áp dụng các kỹ thuật điều khiển nhằm làm tăng tốc độ hội tụ của phương pháp Newton Raphton Tác giả đã nghiên cứu tối ưu hóa đường dây truyền tải liên quan đến việc điều khiển điện áp, dòng công suất tác dụng và dòng công suất phản kháng

ở chế độ xác lập của hệ thống điện Đồng thời, tối ưu phân bố công suất trong mạng điện làm cải thiện biên dạng điện áp một cách rõ rệt, giá trị biên độ điện

áp tại các thanh cái phần lớn đều xấp xỉ 1 (đvtđ) và nằm trong giới hạn vận hành đường dây Thêm vào đó, các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy độ tin cậy của hệ thống điện được cải thiện, đồng thời cũng làm giảm tổn thất công suất trong mạng điện và nâng cao hiệu suất truyền tải Tuy nhiên, một số vấn khác vẫn chưa được xem xét đối với nghiên cứu này như sau:

+ Nghiên cứu các tác động của UPFC khi đường dây vận hành bị sự cố + Kết hợp UPFC với các thiết bị FACTS khác trong việc điều khiển tối

ưu công suất truyền tải trên hệ thống điện

+ Lựa chọn vị trí tối ưu để lắp đặt các thiết bị UPFC cũng như FACTS Khi ngành điện Việt Nam chuyển sang cơ cấu thị trường điện cạnh tranh cũng như có sự tham gia của các nguồn điện năng lượng tái tạo vào hệ thống điện thì việc áp dụng các thiết bị FACTS nói chung, cũng như UPFC nói riêng vào hệ thống điện là khả thi Với đặc tính nổi bậc của thiết bộ UPFC là có khả năng điều khiển đồng thời hoặc chọn lọc điện áp, dòng công suất trên đường dây theo yêu cầu nên có thể được sử dụng để lắp đặt trên các đường dây liên kết giữa các hệ thống điện của vùng hoặc quốc gia

2.3 Các nghiên cứu nước ngoài

M Darabian và A Jalilvand đã thực hiện các nghiên cứu liên quan đến việc cải thiện ổn định của hệ thống điện có xét nguồn điện gió bằng cách sử dụng thiết bị bù STATCOM và chiến lược điều khiển tiên đoán [6]

Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ tuabin gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được sử dụng trong nghiên cứu của M Darabian và A Jalilvand

Trong nghiên cứu này, một chiến lược điều khiển tiên đoán đa mục tiêu được giới thiệu để cải thiện sự ổn định của một hệ thống điện mà có sự hiện diện của các nhà máy điện gió và STATCOM Đóng góp chính của nghiên cứu này là xem xét đa mục tiêu của việc điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ biến đổi phía rotor trong mỗi máy phát điện không đồng bộ, điều khiển điện áp của hệ thống kích từ máy phát đồng bộ và thiết kế bộ điều khiển giảm dao động cho STATCOM bằng việc sử dụng chiến lược tiên báo

Để giảm gánh nặng tính toán và chọn chính xác các đường dẫn đầu vào cho việc tiên đoán, các hàm Lagrange đã được các tác giả giới thiệu sử dụng Ngoài

ra, để giảm thời gian lấy mẫu trong việc lựa chọn các vùng dự đoán rộng lớn, trọng số dữ liệu theo hàm mũ cũng đã được sử dụng Nghiên cứu được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB trong miền thời gian và miền tần số tương ứng với các kịch bản khác nhau Các kết quả mô phỏng của mỗi miền được so

sánh bằng việc sử dụng 2 kỹ thuật của chiến lược tiên đoán, có nghĩa là mô hình kinh điển, hàm Lagrange và bộ điều khiển PI (tích phân và tỉ lệ) Việc so sánh ba phương thức này cho thấy rằng kỹ thuật điều khiển tiên báo hỗ trợ cho hai bộ điều khiển khác trong việc giảm các dao động

Hình 2.2 Cấu trúc của bộ điều khiển tiên đoán mô hình

Hình 2.3 Sơ đồ khối của chiến lược điều khiển tiên đoán

Hình 2.4 Sơ đồ khảo sát đơn tuyến, 9 nút và 3 nguồn phát

R M M Pereira, A J C Pereira, C M M Ferreira và F P M Barbosa đã thực hiện nghiên cứu ổn định điện áp của hệ thống điện có xét nguồn điện gió và thiết bị bù STATCOM [7] Các nhà máy điện gió được yêu cầu để có thể thỏa mãn chiến lược kiểm soát điện áp và nhu cầu công suất phản kháng Trong nghiên cứu này, các nhà máy điện gió giữ vai trò trao đổi công suất phản kháng với lưới điện Trong đó, định mức trao đổi được xác định bởi đơn vị vận hành hệ thống truyền tải Máy phát điện gió được sử dụng trong nghiên cứu này là máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG) và được trang bị thêm thiết bị bù STATCOM Các bộ tự động điều chỉnh điện áp của các nhà máy điện và các bộ

điều chỉnh tốc độ tuabin đã được mô hình hóa chi tiết Các mô hình tải khác nhau đã được sử dụng và các bộ thay đổi tải cũng được xem xét Để đánh giá

ổn định điện áp của hệ thống điện, một số trường hợp khẩn cấp đã được mô phỏng Sự gia tăng tốc độ gió cũng được tính đến trong các mô phỏng

Hình 2.5 Sơ đồ khối của hệ thống điện khảo sát trong nghiên cứu của R M M

Pereira, A J C Pereira, C M M Ferreira và F P M Barbosa

Hình 2.6 Cấu trúc của thiết bị bù STATCOM được sử dụng trong nghiên cứu của R M M Pereira, A J C Pereira, C M M Ferreira và F P M Barbosa

Hình 2.7 Thời gian làm việc của tụ điện trong thiết bị bù STATCOM trong nghiên cứu của R M M Pereira, A J C Pereira, C M M Ferreira và F P

M Barbosa

G E Ahmed, Y S Mohmed và O M Kamel đã nghiên cứu bộ điều khiển STATCOM tối ưu cho việc nâng cao hiệu suất vận hành của hệ thống nhà máy điện gió trong các điều kiện sự cố [8] Nghiên cứu này đã cho thấy các ảnh hưởng của hệ thống điện gió đến hiệu suất làm việc của hệ thống điện truyền thống, đặc biệt là trong điều kiện bất thường Thiết bị bù STATCOM đã được đề xuất sử dụng để giảm sụt điện áp và cải thiện chất lượng điện năng tại điểm hòa lưới điện, nơi các nhà máy điện gió công suất lớn được kết nối với lưới điện trong thời gian xảy ra sự cố Các bộ điều khiển PI điều chỉnh với các điều chỉnh kinh điển là một quy trình phổ biến nhất được sử dụng để quá trình làm việc của STATCOM

Trong nghiên cứu này, các giải thuật như tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization, PSO) và tối ưu hóa đàn kiến (Ant Colony Optimization, ACO) mà được xem như là các giải thuật tiến hóa đã được sử dụng để có được các thông số điều chỉnh linh hoạt và đáng tin cậy cho bộ điều khiển PI, nhằm mục đích cải thiện đáp ứng của STATCOM khi có xuất hiện sụt áp trong hệ thống điện

Hình 2.8 Đặc tính V - I của STATCOM

Hình 2.9 Khả năng trao đổi công suất phản kháng trong các điều kiện làm việc

khác nhau của STATCOM

Hình 2.10 Cấu trúc cơ bản của STATCOM và mạch điều khiển

Hình 2.11 Sơ đồ khối điều khiển các thông số của bộ điều khiển PI bằng các

thuật toán tối ưu hóa

E R Mauboy, T T Lie và T N Anderson đã xem xét tác động của việc thâm nhập mức độ cao của tuabin gió máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) trong việc điều chỉnh điện áp và bù công suất phản kháng cho hệ thống điện [9]

Hình 2.12 Sơ đồ đơn tuyến trong nghiên cứu của E R Mauboy, T T Lie và

T N Anderson

Các nghiên cứu cho thấy rằng SCIG làm chậm quá trình phục hồi điện

áp sau khi giảm điện áp và có thể dẫn đến sự mất ổn định tốc độ rotor và điện

áp Khi điện áp được khôi phục, SCIG sẽ hấp thụ công suất phản kháng và nếu điện áp không quay trở lại đủ nhanh, máy phát sẽ tăng tốc và tiêu thụ một lượng lớn công suất phản kháng Tình trạng này càng trầm trọng hơn nếu tuabin gió được kết nối với một hệ thống điện nhỏ Thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static Synchronous Compensator, STATCOM) đã được đề xuất

sử dụng để duy trì cấu hình điện áp và để khắc phục sự nhiễu loạn quá độ sau các sự cố Tuy nhiên, các STATCOM hiện tại sử dụng các bộ điều khiển PI với

độ lợi cố định không thể đáp ứng khi hệ thống nằm trong các điều kiện khắc nghiệt như ngắn mạch ba pha chạm đất, tốc độ gió thay đổi đột ngột, các dao động của tải và sự hỗ trợ yếu từ hệ thống điện Chính vì các lý do trên, bộ điều khiển PI tự điều chỉnh các hệ số dựa trên mạng nơ-rôn nhân tạo (Artificial Neural Network, ANN) được đề xuất Các nghiên cứu mô phỏng đã được tiến hành để chứng minh tính hiệu quả của bộ điều khiển đề xuất trong việc duy trì

sự ổn định của hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau

Hình 2.13 Sơ đồ khối của bộ điều khiển STATCOM tự điều chỉnh các hệ số

dựa trên mạng nơ-rôn nhân tạo

L Wang, C Chang, B Kuan and A V Prokhorov đã nghiên cứu để cải thiện ổn định của một hệ thống điện hai khu vực được kết nối với một hệ thống điện gió được tích hợp bao gồm ngoài khơi và đất liền bằng việc sử dụng thiết

bị bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) [10] Một nhà máy điện gió trên đất liền, có công suất, 19,8 MW sử dụng máy phát điện không đồng bộ trượt động (Dynamic - Slip Induction Generator, DSIG) Trong khi đó, một nhà máy điện gió ngoài khơi có công suất, 100 MW sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly - Fed Induction Generator, DFIG) Mô hình mạch tương đương trục q-d được rút ra để thiết lập một mô hình hệ thống hoàn chỉnh trong các điều kiện cân bằng ba pha Bộ điều khiển giảm dao động công suất trễ - sớm (Power Oscillation Damping Controller, PODC) của STATCOM được

thiết kế bằng cách sử dụng phương pháp bù pha được dựa trên lý thuyết điều khiển phương thức để giảm các dao động tần số thấp của hệ thống điện hai khu vực đang thực hiện nghiên cứu Một chiến lược có tính hệ thống bằng việc sử dụng phương pháp tiếp cận miền tần số mà được dựa trên phân tích trị riêng và phương pháp tiếp cận miền thời gian mà được dựa trên các mô phỏng mô hình phi tuyến đã được thực hiện để đánh giá hiệu quả của chiến lược điều khiển đề xuất Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng thiết bị bù STATCOM được đề xuất

sử dụng kết hợp với bộ điều khển, PODC có khả năng cải thiện tính ổn định của hệ thống điện hai khu vực được kết nối với nhà máy điện gió tích hợp trên

bờ và ngoài khơi trong các điều kiện nhiễu loạn khác nhau

Hình 2.14 Cấu trúc của một hệ thống điện 2 khu vực được kết nối với nhà máy điện gió tích hợp trên bờ và ngoài khơi, và thiết bị bù STATCOM

2.4 Kết luận

Tổng quan các nghiên cứu và kết quả đạt được cho thấy rằng nghiên cứu vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện gió và thiết bị bù STATCOM là cần thiết và đúng với xu hướng phát triển của ngành điện thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Trong các nghiên cứu đã được thực hiện, vẫn còn các vấn đề khác liên quan đang tồn tại mà cần phải được nghiên cứu nhiều hơn

Chương 3

Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

3.1 Giới thiệu

Nhu cầu của phụ tải ngày càng tăng dần theo nhu cầu phát triển kinh tế -

xã hội của Việt Nam nói riêng và các quốc gia khác trên thế giới nói chung đã dẫn đến sự phát triển của hệ thống điện mà bao gồm sự phát triển của nguồn và lưới điện

Sự phát triển của hệ thống điện cần phải đảm bảo được tính chất ổn định

và bền vững trong khai thác và vận hành

Trong thời gian gần đây, nguồn năng lượng điện tái tạo nói chung và năng lượng điện gió nói riêng đang được tích cực nghiên cứu và khai thác sao cho hiệu quả và góp phần tích cực vào cơ cấu nguồn điện chung truyền thống của hệ thống điện mà sẽ được đề cập nghiên cứu trong luận văn này Nguồn điện năng lượng gió này đảm bảo được tính chất khai thác ổn định và bền vững

Để đảm bảo vận hành ổn định và chất lượng điện năng cung cấp cho hộ tiêu thụ, các hệ thống truyền tải linh hoạt (Flexible AC Tranmission System FACTS) được triển khai nghiên cứu và đưa vào hệ thống điện sử dụng ngày càng nhiều Trong số các thiết bị FACTS này, thiết bị bù tĩnh STATCOM (Static Synchronous Compensator) được tích cực nghiên cứu nhằm luôn luôn đảm bảo hệ thống điện được vận hành ổn định và chất lượng lượng điện năng Các vấn đề nêu trên sẽ được tìm hiểu và phân tích chi tiết cụ thể trong các phần kế tiếp của luận văn

3.2 Hệ thống điện [12]

3.2.1 Giới thiệu hệ thống điện

Hệ thống điện là hệ thống các nhà máy điện, lưới điện và các trang thiết

bị phụ trợ được liên kết với nhau

+ Lưới điện truyền tải là phần lưới điện bao gồm các đường dây và trạm biến áp có cấp điện áp trên 110 kV

+ Lưới điện phân phối là phần lưới điện bao gồm các đường dây và trạm biến áo có cấp điện áp đến 110 kV

3.2.2 Vận hành hệ thống điện truyền tải

Các yêu cầu trong vận hành hệ thống điện truyền tải bao gồm:

a Tần số

Tần số danh định của hệ thống điện quốc gia Việt Nam là 50 Hz Trong chế độ vận hành bình thường, tần số hệ thống điện được phép dao động trong phạm vi ± 0,2 Hz so với tần số danh định Ở các chế độ vận hành khác của hệ thống điện, dải tần số được phép dao động và thời gian khôi phục về chế độ vận hành bình thường được quy định tại Bảng 3.1 như sau:

Bảng 3.1 Dải tần số được phép dao động và thời gian khôi phục hệ thống điện

về chế độ vận hành bình thường trong các chế độ vận hành khác của hệ thống điện quốc gia

Chế độ vận

hành của hệ

thống điện

Dải tần số được phép dao động

Thời gian khôi phục, tính từ thời điểm xảy ra sự cố

(Áp dụng từ ngày 01 tháng 01 năm 2018)

Trạng thái chưa

ổn định (chế độ xác lập)

Khôi phục về chế độ vận hành bình thường

Sự cố đơn lẻ 49 Hz ÷ 51 Hz 02 phút để đưa

tần số về phạm vi 49,5 Hz ÷ 50,5

Hz

05 phút để đưa tần số về phạm vi 49,8 Hz ÷ 50,2

49 Hz ÷ 51 Hz

10 phút để đưa tần số về phạm vi 49,8 Hz ÷ 50,2

Hz

05 phút để đưa tần số về phạm vi 49,5 Hz ÷ 50,5

Hz

Dải tần số được phép và số lần được phép tần số vượt quá giới hạn trong trường hợp sự cố nhiều phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc chế độ cực kỳ khẩn cấp được xác định theo chu kỳ 01 năm hoặc 02 năm được quy định tại Bảng 3.2 như sau:

Bảng 3.2 Dải tần số được phép và số lần được phép tần số vượt quá giới hạn trong trường hợp sự cố nhiều phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc chế độ cực kỳ khẩn cấp

Trong đó, một lần tần số hệ thống điện vượt quá giới hạn được phép là một lần tần số hệ thống điện vượt quá giới hạn được phép trong khoảng thời gian từ 5 s trở lên

Trong quá trình vận hành hệ thống điện quốc gia, Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện có trách nhiệm điều độ, vận hành hệ thống điện quốc gia và huy động các loại hình dịch vụ phụ trợ để đảm bảo tần số nằm trong dải được phép

b Ổn định hệ thống điện

Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống điện, với điều kiện vận hành ban đầu xác định, trở lại chế độ vận hành bình thường hoặc chế độ cân bằng xác lập sau khi xảy ra một kích động vật lý trong hệ thống điện làm thay đổi các thông số vận hành của hệ thống điện Ổn định hệ thống điện được phân loại như sau:

+ Ổn định quá độ (Transient Stability) là khả năng của các tổ máy phát điện trong hệ thống điện duy trì được trạng thái vận hành đồng bộ sau khi xảy

ra các kích động lớn trong hệ thống điện;

+ Ổn định tín hiệu nhỏ (Small Signal stability) là khả năng các tổ máy phát điện trong hệ thống điện duy trì được trạng thái vận hành đồng bộ sau khi xảy ra các kích động nhỏ trong hệ thống điện, với mức độ dập tắt các dao động công suất tự nhiên trong giới hạn cho phép;

+ Ổn định điện áp động (Dynamic Voltage Stability) là khả năng của hệ thống điện duy trì điện áp xác lập tại các nút sau khi xảy ra các kích động lớn trong hệ thống điện;

+ Ổn định điện áp tĩnh (Steady State Voltage Stability) là khả năng của

hệ thống điện duy trì điện áp xác lập tại các nút sau khi xảy ra các kích động nhỏ trong hệ thống điện;

+ Ổn định tần số (Frequency Stability) là khả năng hệ thống điện duy trì được tần số xác lập sau khi xảy ra các kích động làm mất cân bằng công suất giữa nguồn điện và phụ tải điện