Nâng cao ổn định trong vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng statcom

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STATCOM Static Synchronous Compensator: bộ bù đồng bộ tĩnh SSSC StaticSynchronous Series Compensator: dãy bù đồng bộ tĩnh FACTS FlexibleAlternating Current Trans

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đặng Đức Nghiệm Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/03/1979 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1341830058

I- Tên đề tài:

Nâng cao ổn định trong vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng STATCOM.

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu lý thuyết ổn định của hệ thống điện

- Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điện gió nối lưới

- Tổng quan về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện đáp ứng động của hệ thống

- Mô phỏng hệ thống điện gió nối lưới trên môi trường Matlab/Simulink dùngStatcom để điều khiển công suất và cải thiện đáp ứng quá độ

- Nhận xét, đánh giá kết quả

III- Ngày giao nhiệm vụ : Tháng 02/2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 08/2016

V- Cán bộ hướng dẫn : TS Nguyễn Hùng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS Nguyễn Hùng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồngốc

Học viên thực hiện

Đặng Đức Nghiệm

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tàiluận văn cao học của mình, có được kết quả này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối vớiThầy TS Nguyễn Hùng, người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi trong suốt quátrình thực hiện Luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy trong bộ môn đã trang bị kiến thức

bổ ích cho tôi, cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứunày

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Đặng Đức Nghiệm

TÓM TẮT

Đề tài Nâng cao ổn định trong vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng Statcom đã giải quyết các vấn đề sau :

- Nghiên cứu lý thuyết ổn định của hệ thống điện

- Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điện gió nối lưới

- Tổng quan về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện đáp ứng động của hệ thống

- Mô phỏng hệ thống điện gió nối lưới trên môi trường Matlab/Simulink dùngStatcom để điều khiển công suất và cải thiện đáp ứng quá độ

- Nhận xét, đánh giá kết quả

ABSTRACT

Thesis Enhancement operational stability of wind power systems

- Theoretical study voltage stability in power system

- STATCOM theoretical research and its application in power systems toimprove transient performances

- Research using the software Matlab/Simulink.Application simulation modelSTATCOM in the power system on the software MATLAB / SIMULINK toimprove the transient responses when occursin large disturbance

- Reviews, evaluate the results

MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG xi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ 4

1.3 Phương pháp nghiên cứu 4

1.4 Điểm mới của luận văn 5

Xem xét mô hình hệ thống điện gió nối lưới và thiết kế bộ điều khiển cho Statcom để nâng cao hiệu quả vận hành trong xác lập và quá độ của hệ thống điện .5

1.5 Phạm vi ứng dụng 5

1.6 Bố cục của luận văn 5

Chương 2TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ STATCOM 6

2.1 Ổn định trong hệ thống điện 7

2.2 Giới hạn ổn định trong hệ thống điện 9

2.2.1 Giới hạn điện áp 9

2.2.3 Giới hạn ổn định 11

2.3 Nguyên lý làm việc và điều khiển turbine gió 15

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống điện gió 15

2.3.2 Đặc tính chung của các loại máy phát điện gió 18

2.3.3 Các mô hình toán học của hệ thống điện gió 21

2.3.4 Thuật toán điều khiển công suất hệ thống điện gió dùng DFIG 22

2.3.5 Thuật điều khiển công suất của hệ thống điện gió 30

2.3.6 Mô hình máy phát điện không đồng bộ cảm ứng nguồn kép DFIG trong MATLAB/SIMULINK 37

2.3.7 Kết Luận 40

2.4 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động và điều khiển STATCOM 40

2.4.1 Cấu trúc cơ bản của STATCOM 40

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM 41

2.4.3 Hệ thống điều khiển của Statcom 43

2.4.4 Các đặc tính của Statcom 45

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 47

3.1 Phần mềm MATLAB/SIMULINK 47

3.2 Mô hình hệ thống điện gió IG nối lưới 48

3.2.1 Sơ đồ đơn tuyến 48

3.2.2 Sơ đồ Simulink 48

3.3 Mô hình hệ thống điện gió DFIG nối lưới 60

3.3.1 Mô hình turbine gió DFIG 61

3.3.2 Mô hình STATCOM 62

3.3.3 Phân tích ổn định theo không gian trạng thái 63

3.3.4 Phân tích miền thời gian 63

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68

4.1 Kết luận 68

4.2 Hướng phát triển đề tài 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

STATCOM (Static Synchronous Compensator): bộ bù đồng bộ tĩnh SSSC (StaticSynchronous Series Compensator): dãy bù đồng bộ tĩnh FACTS (FlexibleAlternating Current Transmission System): hệ thống truyền tải điện xoay chiều.SVC (Static Var Compensator): bộ bù công suất phản kháng

PLL (Phase Locked Loop): vòng khóa pha

VSC (Voltage Source Converter): bộ chuyển đổi nguồn áp

AC (Alternating Current): dòng điện xoay chiều

DC (Direct Current): dòng điện một chiều

GTO: Gate-TurnOff Thyristor

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

PWM: ( Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung

MBA: Máy Biến Áp

CSTD: Công Suất Tác Dụng

CSPK: Công Suất Phản Kháng

IG (Induction Generator): Máy phát điện gió cảm ứng

DFIG (Doubly-Fed Induction Generator): Máy phát điện gió nguồn kép

PID: Bộ điều khiển PID

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH

ẢNH

Nội dung Trang

Hình 1.1- Minh họa về tiêu chuẩn ITIC (CBEM 1

Hình 1.2- Minh họa về tiêu chuẩn SEMI F47 (Nguồn ABB) 2

Hình 2.1: Phân loại ổn định trong hệ thống điện 7

Hình 2.2: Các đường cong P-V không có và có bù song song 9

Hình 2.3: Nhiễu trong hệ thống điện 11

Hình 2.4: Đường cong công suất-góc 12

Hình 2.5: Sự thay đổi góc của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ thống mất ổn định (b) 13

Hình 2.6: Độ thay đổi góc của HT ổn định dao động bé (a), HT ổn định dao động (b), HT mất ổn định (c) 14

Hình 2.7: Giới hạn vận hành của đường dây theo các mức điện áp 15

Hình 2.8: Mô hình các thành phần chính của turbine gió 15

Hình 2.9: a) Cột tháp thanh sắt chéo (Lattice Tower); b) Cột tháp chằn giữ (Guyed Tower); c) Cột tháp tiêu chuẩn tự do (Free Tower) 17

Hình 2.10: Hệ thống máy phát điện nguồn kép 18

Hình 2.11:Máy phát điện kiểu lồng sóc 18

Hình 2.12:Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu 19

Hình 2.13:Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 20

Hình 2.14: Hệ thống điện gió 21

Hình 2.15: Máy phát điện cảm ứng nguồn kép loại turbine chạy bằng sức gió trong đó: 23

Hình 2.16: Chế độ hoạt động dưới đồng bộ của DFIG 27

Hình 2.17: Chế độ hoạt động trên đồng bộ của DFIG 28

Hình 2.18: Mô hình hoạt động đồng bộ của DFIG 29

Hình 2.19: Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG (mạch trục q) 30

Hình 2.20: Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG (mạch trục d) 30

Hình 2.21: Mạch tương đương mỗi pha của máy phát điện nguồn kép 31

Hình 2.22:Sơ đồ tổng thểđiều khiểnDFIG 32

Hình 2.23: Xây dựng bộ điều khiển vòng lặp bên trong dòng rotor 35

Hình 2.24: Xây dựng bộ điều khiển vòng lập bên ngoài công suất tác dụng và phản kháng 35

Hình 2.25: Điều khiển công suất của DFIG 37

Hình 2.26:Cấu trúc của bô điều khiển bên rotor 37

Hình 2.27:Cấu trúc biến đổi của bộ điều khiển phía lưới 38

Hình 2.28: Cấu trúc cơ bản của STATCOM 39

Hình 2.29: Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM 40

Hình 2.30: Nguyên lý bù của bộ bù STATCOM 41

Hình 2.31: Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù 41

Hình 2.32: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù 42

Hình 2.33: Hệ thống điều khiển của STATCOM 43

Hình 2.34: Đặc tính V-I của STATCOM 44

Hình 2.35: Đặc tính Q-V của STATCOM 45

Hình 3.1: Sơ đồ đơn tuyến hệ điện gió IG nối lưới 47

Hình 3.2: Các phần tử hệ thống, đường dây, máy biến áp trong Simulink 48

Hình 3.3: Sơ đồ điều khiển STATCOM 49

Hình 3.3: Nhà máy điện gió 9MW 49

Hình 3.4: Mô hình điều khiển turbine gió IG 50

Hình 3.5: Điều khiển công suất nhà máy điện gió nối lưới 51

Hình 3.6: Khảo sát tốc độ gió 9m/s 52

Hình 3.7: Đáp ứng của turbine khi tốc độ gió thay đổi 52

Hình 3.8: Điều khiển công suất và điện áp tại nút B25 53

Hình 3.9: Đáp ứng turbine 1 và 3 khi xảy ra ngắn mạch 54

Hình 3.10: Công suất bù và điện áp đầu cực Statcom 55

Hình 3.11: Mô hình hệ thống điện gió DFIG nối lưới 56Hình 3.12 Bộ điều khiển cho STATCOM 57Hình 3.1.3: So sánh đáp ứng quá độ của hệ thống khi ngắn mạch ba pha tại thanh cái vô cùng lớn 61

Đối với dao động điện áp, hai tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến cho khả

năng kháng dao động của hệ thống công nghệ tin học là Information Technology industry Council ITIC (CBEMA) curve (1996) và của dây chuyền công nghệ sản phẩm linh kiện bán dẫn SEMI F47-0706 Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Immunity.

Số chu kỳ sụt áp (cycles)

Hình 1.2- Minh họa về tiêu chuẩn SEMI F47 (Nguồn ABB)

Việt Nam là một quốc gia thành viên của Tổ chức thương mại thế giới(WTO) đang chuyển mình để hòa nhập cùng với các nước trên thế giới, theo đó, sẽxuất hiện ngày càng nhiều phụ tải với yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càngcao trên lưới điện Việt Nam Tuy nhiên, chưa có nhiều công trình nghiên cứu vềchất lượng điện năng đối với lưới điện Việt Nam được công bố

Ngày nay, việc phát triển kỹ thuật thyristor công suất lớn đã mở ra nhữngkhả năng mới, một trong số đó là việc ra đời và ứng dụng các thiết bị FACTS cónhiệm vụ bù tĩnh, điều chỉnh nhanh công suất lớn như STATCOM (StaticSynchronous Compensator), SVC (Static Var Compensator), TCSC (Thyristor-Controlled Series Capacitor)…Ứng dụng của thiết bị FACTS có thể được dùngtrong 3 trạng thái của hệ thống, bao gồm: trạng thái xác lập (thông thường), trạngthái quá độ (thông thường) và trạng thái xác lập sau quá độ Các thiết bị FACTS cóthể điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp,giảm dao động công suất,…

Một trong đại diện của các thiết bị FATCS, với khả năng đáp ứng nhanhmlinh hoạt đó là STATCOM, hay có tên gọi khác là thiết bị chuyển đổi nguồn áp.STATCOM là kỹ thuật được sử dụng như một nguyên lý làm việc của bộ bù ngang

STATCOM có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống điện như sau:

- Điều khiển điện áp động trong hệ thống truyền tải và phân phối

- Ổn định quá độ

- Điều khiển nhấp nháy điện áp

- Không chỉ điều khiển công suất phản kháng mà còn điều khiển công suất tác dụng nếu cần

Với những khả năng trên, STATCOM có thể được ứng dụng trong việc cảithiện chất lượng điện áp, đặc biệt là các khu vực lưới điện gần với khách hàng sửdụng điện với yêu cầu về điện áp chất lượng cao

Hệ thống điều khiển là bộ não của STATCOM đối với việc điều khiển bùứng động công suất phản kháng cho hệ thống điện Trên cơ sở các yêu cầu vậnhành, dạng ứng dụng, cấu trúc hệ thống và tối ưu tổn hao, các thông số điều khiểnchủ yếu được điều khiển để đạt được hiệu suất mong muốn và rất nhiều phươngpháp điều khiển dựa trên mạch động lực của STATCOM đã được nghiên cứu.Nhiều kỹ thuật điều khiển cũng được đề xuất để thực hiện như kỹ thuật điều khiển

PI, PID, điều chế độ rộng xung (PMW) Xu hướng ngày nay, nhằm cải thiện giảithuật điều khiển, người ra bắt đầu nghiên cứu thử các kỹ thuật điều khiển khác như:điều khiển mờ, nơ-ron, nơ-ron mờ Tuy nhiên với các giải thuật điều khiển thuộccác công trình nghiên cứu trước đây có một số hạn chế sau:

- Đối với giải thuật điều khiển PI, PID không đáp ứng tốt trong các chế độ vận hành khác nhau

- Một số công trình nghiên cứu không giám sát điện áp một chiều (DC)trong quá trình làm việc và điều khiển STATCOM

Ngoài ra, Việt Nam chưa nhiều công trình nghiên cứu về STATCOM đượccông bố Đối với các công trình đã công bố, hầu hết tập trung chủ yếu vào việc lựa

chọn và xác định vị trí tối ưu để lắp đặt trên lưới điện, nâng cao ổn định điện áp,ứng dụng trong truyền tải điện năng và chưa có nhiều công bố về giải thuật điềukhiển STATCOM đối với các bài toán hệ thống điện

Do đó, để tạo môi trường thuận lợi và có cơ sở hạ tầng tốt (trong đó có hạtầng về cung cấp điện với chất lượng cao) nhằm thu hút các nhà đầu tư nước ngoàitrong lĩnh vực công nghệ cao, vấn đề chất lượng điện áp cần phải được nghiên cứunhiều hơn Và việc nghiên cứu giải thuật điều khiển tiên tiến khác và áp dụng vàoviệc điều khiển STATCOM nhằm nâng cao chất lượng của bộ điều khiển, nâng caohiệu quả làm việc của STATCOM và góp phần vào việc cải thiện chất lượng điện

áp, đặc biệt đối với các khu vực gần với khách hàng sử dụng điện là thực sự cầnthiết

Đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau khichịu tác động nhiễu là rất cần thiết và quan trọng, đó là lý do tác giả lựa chọn đề

tài“Nâng cao ổn định trong vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng Statcom”nhằm nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM vào hệ

thống điện gió nối lưới để để khiển công suất và cải thiện đặc tính quá độ của hệthống khi xảy ra ngắn mạch 3 pha

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết ổn định hệ thống điện

- Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điện gió nối lưới

- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện đểcải thiện ổn định quá độ

- Mô phỏng ứng dụng Statcom dùng bộ điều khiển PID cho hệ thống điện gió nối lưới trên phần mềm Matlab/Simulink

- Nhận xét, đánh giá kết quả

1.4 Điểm mới của luận văn

Xem xét mô hình hệ thống điện gió nối lưới và thiết kế bộ điều khiển choStatcom để nâng cao hiệu quả vận hành trong xác lập và quá độ của hệ thống điện

1.5 Phạm vi ứng dụng

- Ứng dụng cho hệ thống điệngió nối lưới

- Làm tài liệu tham khảo cho thiết kế vận hành lưới điện

1.6 Bố cục của luận văn

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 2: Tổng quan về ổn định hệ thống điện, năng lượng gió và StatcomChương 3: Mô hình mô phỏng và kết quả

Chương 4:Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương 2 TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN,

NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ STATCOM

Hệ thống truyền tải điện ngày nay là một mạng phức tạp đường dây truyềntải điện kết nối tất cả các nhà máy điện và tất cả các điểm phụ tải chính trong hệthống điện Các đường dây truyền tải nguồn công suất lớn theo hướng đi mongmuốn theosự kết nối của hệ thống truyền tải để đạt được sự phân bố công suất mongmuốn Hơn nữa, đặc điểm chính của hệ thống truyền tải điện ngày nay là có nhiềucấu trúc mạch vòng, trái với hệ thống truyền tải điện trước đây có nhiều cấu trúchình tia, cung cấp công suất từ máy phát đến phụ tải xác đinh

Việc truyền tải công suất ở trạng thái tĩnh có thể bị giới hạn bởi sự phân bốcông suất song song hoặc mạch vòng Việc phân bố đó thường xảy ra trong hệthống mạng nhiều phát tuyến, kết nối hệ thống điện, dẫn đến các đường dây bị quátải dưới các vấn đề về dạng nhiệt hoặc giới hạn điện áp

Hệ thống điện làm việc có sự đồng bộ đối với việc phát công suất điện Nó

là yêu cầu cơ bản để phát hết công suất của tất cả các máy phát trong vận hành hệthống điện với việc duy trì tần số chung Tuy nhiên, hệ thống điện chịu tác động củacác thay đổi nhiễu loạn động, nhiễu loạn có thể là nguyên nhân của sự thay đổi độtngột sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống và hậu quả củaviệc hư hỏng trong máy phát Khả năng của hệ thống điện để phục hồi từ các nhiễuloạn và xác lập trở lại trạng thái đồng bộ mới dưới các điều kiện tác động ngẫunhiên trở thành việc thiết kế chính và các giới hạn vận hành đối với khả năng truyềntải

Khả năng này thường là đặc tính giới hạn ổn định hệ thống Theo các vấn đề

đã được đặt vấn đề trước đây, khả năng của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu phụtải được giới hạn chính bằng hai chỉ số: phân bố công suất trên các đường dây vàcác giới hạn ổn định của hệ thống điện Trong chương này chúng ta quan tâm đếncác vấn đề cơ bản của việc kiểm soát hệ thống điện và khả năng ổn định, quan tâmđến việc điều khiển công suất và các giới hạn ổn định

2.1 Ổn định trong hệ thống điện

Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định gócrotor, điện áp và tần số Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện được trìnhbày trong sơ đồ sau:

Hình 2.1: Phân loại ổn định trong hệ thống điện

Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện để duy trì điện áp ổn định tạitất cả các thanh cái trong hệ thống điện sau khi chịu tác động của nhiễu loạn từ điềukiện vận hành trước đó Ổn định điện áp phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồitrạng thái cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và khả năng cấp điện cho phụ tải từ hệthống điện Ổn định điện áp được phân thành hai dạng dựa theo thời gian môphỏng: Ổn định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động Phân tích ổn định điện áp tĩnhliên quan đến việc giải các phương trình đại số và vì thế nó ít phép tính hơn so vớinghiên cứu ổn định điện áp động

Sự mất ổn định xuất hiện dưới dạng thường thấy là điện áp tăng lên hoặcgiảm xuống của một số các thanh cái Hậu quả của việc mất ổn định điện áp là hệthống bảo vệ relay sẽ tác động cắt điện một số phụ tải trong khu vực, hoặc cắt

đường dây truyền tải điện hoặc các phần tử khác mà điều này có thể dẫn đến mất ổnđịnh đồng bộ của một số máy phát điện trong hệ thống Trong luận văn này tác giảquan tâm đến việc ổn định điện áp của hệ thống điện và mô phỏng ổn định điện ápcủa hệ thống điện khi có các thiết bị điều khiển FACTS(STATCOM) bằng phầnmềm Matlab/Simulink Ổn định điện áp đuợc phân thành bốn dạng: Ổn định điện ápnhiễu loạn lớn, ổn định điện áp nhiễu loạn bé, ổn định điện áp trong ngắn hạn và ổnđịnh điện áp trong dài hạn Tóm tắt ngắn gọn các loại ổn định điện áp nhu sau:

Ổn định điện áp nhiễu loạn lớn: Khả năng của hệ thống điện để duy trì ổnđịnh điện áp ngay sau khi các nhiễu loạn lớn xảy ra nhu các sự cố hệ thống, ngắtmáy phát điện, hoặc ngắn mạch Khả năng này đuợc xác định bởi đặc tính của hệthống và phụ tải, và ảnh huởng của cả hệ thống điều khiển và bảo vệ Nghiên cứu

ổn định này quan tâm trong khoảng thời gian từ một vài giây đến 10 phút

Ổn định điện áp nhiễu loạn bé: Khả năng của hệ thống để duy trì ổn địnhđiện áp khi hệ thống xảy ra các dao động bé nhu việc gia tăng sự thay đổi trong hệthống phụ tải Đây là dạng ổn định bị ảnh huởng bởi đặc tính của phụ tải, việc điềukhiển liên tục, và điều khiển gián đoạn ở thời gian tức thời đã cho trước

Ổn định điện áp trong ngắn hạn: liên quan đến tác động của các thành phầnphụ tải thay đổi nhanh nhu mô-tơ cảm ứng, phụ tải có điều khiển bằng thiết bị điện

tử và các bộ chuyển đổi HVDC Nghiên cứu quá trình trong khoảng vài giây

Ổn định điện áp trong dài hạn: liên quan đến các thiết bị hoạt động chậmhơn nhu máy biến áp điều nấc, các phụ tải có điều khiển theo nhiệt độ và các máyphát điện có bộ hạn dòng Thời gian quá độ có thể đuợc mở rộng một vài phút vàdài hơn nữa Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến mất ổn định điện áp của

hệ thống điện là thiếu công suất phản kháng để hổ trợ cho hệ thống Việc cải thiệnkhả năng điều khiển công suất phản kháng của hệ thống bằng thiết bị là một biệnpháp để ngăn chặn mất ổn định điện áp và hơn nữa là sụp đổ điện áp Đặc tính P-Vcho thấy điện áp ở thanh cái đầu cuối tỷ lệ nghịch với công suất truyền tải đượcminh họa trong Hình 2.2 sau đây

Hình 2.2: Các đường cong P-V không có và có bù song song

Khi công suất truyền tải gia tăng, điện áp ở đầu nhận cuối giảm Cuối cùng,điểm giới hạn (nose), tại điểm giới hạn công suất phản kháng của hệ thống đã đượcđem ra sử dụng hết, đến đây nếu gia tăng truyền tải công suất tác dụng thì sẽ dẫnđến giảm biên độ điện áp rất nhanh Trước khi đến điểm giới hạn, độ sụt áp là rấtlớn làm cho tổn thất công suất phản kháng trở nên trầm trọng Chỉ bằng cách bảo vệ

hệ thống khỏi bị sụp đổ điện áp là giảm công suất phản kháng của phụ tải hoặc hổtrợ công suất phản kháng trước khi hệ thống đến điểm sụp đổ điện áp Các thiết bịFACTS có thể cung cấp công suất phản kháng theo yêu cầu để gia tăng biên độ ổnđịnh điện áp

2.2.Giới hạn ổn định trong hệ thống điện

Để tin cậy, hệ thống điện có thể vận hành có các giới hạn truyền tải côngsuất Các giới hạn này sẽ ràng buộc việc phát và truyền tải công suất tác dụng vàphản kháng trong hệ thống Các giới hạn này được chia thành 3 dạng: giới hạnnhiệt, giới hạn điện áp và giới hạn ổn định

2.2.1 Giới hạn điện áp

Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động ở

công suất định mức hoặc điện áp định mức.Phần lớn, sự lệch áp kéo dài so với mứcđiện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc của chúng.Nghiêm trọnghơn nữa là có thể phá hủy thiết bị.Dòng điện chạy trong đường dây truyền tải gây ramột sụt áp lớn không mong muốn trên đường dây của hệ thống.Điện áp rơi lànguyên nhân chính gây nên tổn thất công suất phản kháng.Tổn thất này xảy ra ngaykhi có dòng điện chạy trong hệ thống.Nếu công suất phát ra từ các máy phát điệnhoặc các nguồn phátkhác là không đủ để cung cấp cho nhu cầu của hệ thống, thìđiện áp sẽ bị giảm

Giới hạn chấp nhận là +6% giá trị điện áp định mức (Phụ thuộc vào tiêuchuẩn cho phép của từng cấp điện áp và từng quốc gia khác nhau) Hệ thống thườngyêu cầu hổ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp giảm thấp.Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hổ trợ thường được xác định theo giới hạntruyền tải công suất Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp công suất tác dụngtruyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng yêu cầu dự trữ công suấtphản kháng đủ để hổ trợ điện áp

2.2.2 Giới hạn nhiệt

Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị hệ thống điện.Ngay khi công suất truyền tải gia tăng, biên độ dòng điện gia tăng, dẫn đến hư hỏngquá nhiệt Cho ví dụ, trong các nhà máy điện, việc vận hành liên tục các thiết bị ởmức giới hạn vận hành tối đa sẽ dẫn đến hư hỏng do nhiệt Việc hư hỏng này có thể

là cuộn dây stator hoặc cuộn dây rotor của máy phát điện Cả công suất tác dụng vàphản kháng đều tác động đến biên độ dòng điện Ngoài ra trong hệ thống điện, cácđường dây truyền tải và thiết bị liên quan cũng phải vận hành có các giới hạn nhiệt.Việc phải thường xuyên vận hành quá tải các đường dây trên không làm cho cấutrúc kim loại của dây dẫn bị phá vỡ, làm giảm khả năng dẫn điện của chúng Khônggiống thuộc vào cách điện của chúng và hơn nữa là không khí làm mát lượng nhiệtnăng phát ra Các thiết bị này được hạn chế dòng điện để chúng mang tải một cách

an toàn Đối với hai thiết bị loại này, quá tải liên tục sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết

hệ thống điện làm việc đồng bộ với nhau.

Xem xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm 2 nguồn và hai đường dây songsong với nhau như hình 2.3

Hình 2.3: Nhiễu trong hệ thống điện

Công suất tác dụng truyền tải giữa hai thanh cái là phụ thuộc vào góc  .Khi xảy ra sự cố trên đường dây 1-2 thì máy cắt 1 và máy cắt 2 cắt ra, điểm ngắnmạch được cô lập Hệ thống điện đang làm việc ổn định tại điểm 1 với góc ban đầu

 0 thì xảy ra ngắn mạch, đường công suất của hệ thống bị sự cố giảm thấp đột ngột

do tổng trở của đường dây tăng lên, góc  =  0 , hệ thống bảo vệ rơle cắt nhanh sự

cố tại điểm máy cắt cắt nhanh Tại điểm 3 do công suất P điện lớn hơn công suất cơ

PM của tua-bin nên máy phát bắt đầu hãm tốc cho đến điểm 4 và trở về lại điểm 5

xác lập một trạng thái ổn định mới với góc  SS Nếu tại điểm 4 máy phát không

được hãm tốc và tiếp tục trượt dài nữa thì làm cho mất ổn định đồng bộ

Vậy giới hạn ổn định của hệ thống điện là phần diện tích Stt phải nhỏ hơnphần diện tích hãm tốc Sht Phân tích góc ổn định công suất hệ thống điện là nghiêncứu đặc tính động của hệ thống điện Đặc tính động liên quan đến sự thay đổi giá trị

của dòng công suất, điện áp, góc, và tần số sau khi hệ thống chịu tác động củanhững nhiễu loạn lớn hoặc nhỏ Ổn định góc công suất là đuợc chia thành hai dạng:

Ổn định quá độ và ổn định giao động bé

Hình 2.4: Đường cong công suất-góc

2.2.3.1 Ổn định quá độ

Ổn định quá độ đuợc định nghĩa là khả năng của hệ thống để duy trì sự đồng

bộ khi chịu tác động của các nhiễu loạn lớn Nó đuợc xác định bằng cách hệ thốngđáp ứng đuợc các nhiễu loạn lớn Hệ thống đuợc gọi là ổn định quá độ nếu nó có thểvuợt qua đuợc nhiễu loạn ban đầu và trở lại ổn định, nguợc lại hệ thống là không ổnđịnh nếu nó không thể vuợt qua đuợc

Đối với một hệ thống ổn định, khi bất ngờ xảy ra một nhiễu loạn lớn, giá trịgóc hệ thống bắt đầu tăng nhung đến đỉnh điểm và sau đó bắt đầu giảm, làm cho hệthống ổn định quá độ Kết quả là hệ thống đáp ứng độ lệch phức tạp của góc rotormáy phát Ổn định phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầu của hệ thống và độlớn của nhiễu loạn Để minh họa sự ổn định và mất ổn định của hệ thống Hình 2.4

Hình này thể hiện góc lệch của hai hệ thống: ổn định quá độ và không ổn định, sau một nhiễu loạn lớn xảy ra.

Nhiều hệ thống điện phải giới hạn truyền tải công suất của chúng để có lợicho ổn định quá độ Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài và nhàmáy ở xa hầu như dễ bị mất ổn định quá độ Phương pháp để phân tích giới hạn quá

độ là nghiên cứu sự thay đổi góc rotor của tất cả các máy phát điện đồng bộ kết nốiđến hệ thống sau khi hệ thống bị tác động bởi các nhiễu loạn lớn Kỹ thuật sử dụngphần mềm máy tính tích hợp để phân tích ổn định quá độ của hệ thống

2.2.3.2 Ổn định dao động bé

Ổn định dao động bé hoặc ổn định nhiễu loạn là khả năng của của hệ thốngđiện trở lại ổn định sau khi chịu tác động từ các nhiễu loạn bé Ổn định dao động làđặc tính liên quan đến biên độ và độ dài của các nhiễu loạn hệ thống điện Nhiễuloạn điện áp, tần số, góc và dòng công suất có thể được kích thích bởi nhiều sự kiệnkhác nhau Điều này có thể trở thành vấn đề phức tạp khi hệ thống kích từ của máyphát bị sự cố Các nhiễu loạn đó có thể phát triển thành lớn đến nổi hệ thống trởthành nhiễu loạn mất ổn định

Dao đông mất ổn định có thế bắt đầu khi biên độ dao động công suất nhỏ và

vô hại Tuy nhiên, dao động này có thể phát triển lớn lên đến nổi hệthống bắt đầutách ra Đường dây truyền tải và máy phát điện có thể bị cắt do các dao động này.Dao động mất ổn định có thể kéo dài hàng giờ hoặc nó có thể xảy ra trong một vàigiây sau khi có nhiễu loạn lớn Hệ thống có thể phục hồi từ các nhiễu loạn lớnnhưng nó cũng có thể dần dần chuyển sang giai đoạn dao động lớn và trở thành daođộng mất ổn định Hình 2.6 thể hiện hệ thống, lần lượt là giao động bé ổn định, daođộng ổn định và mất ổn định

Hình 2.6: Độ thay đổi góc của HT ổn định dao động bé (a), HT ổn định dao

động (b), HT mất ổn định (c)

Giới hạn nhiệt luôn luôn cao nhất và được quan tâm đối với các đường dâytruyền tải đến 100 dặm Giới hạn điện áp luôn cao hơn giới hạn ổn định (quá độhoặc dao động bé), giới hạn ổn định điện áp được quan tâm đối với các đường dâytruyền tải có độ dài trung bình từ 100 đến 300 dặm Các giới hạn biến đổi ổn địnhđộng là thấp nhất và liên quan đến các đường dây truyền tải có độ dài hơn 300 dặm.Nâng cao công sức truyền tải, nghĩa là di chuyển các giới hạn khác của hệ thốngđiện sang giới hạn nhiệt

2.3 Nguyên lý làm việc và điều khiển turbine gió

2.3.1Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống điện gió

2.3.1.1Cấu tạo

Hình 2.8: Mô hình các thành phần chính của turbine gió

Thiết bị đo lường tốc độ gió(Anemometer): Dùng đo lường tốc độ gió và

truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển

Cánh quạt (Blades): Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các

cánh quạt chuyển động và quay

Trục cánh quạt (Hub): Dùng để kết nối các cánh quạt lại với nhau và nối

với trục chính

Bộ hãm (Brake): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện,

bằng sức nước hoặc bằng động cơ

Ví dụ: khi tốc độ gió cao sinh ra công suất gió rất lớn làm ảnh hưởng đến độbền cơ hoặc hư hỏng turbine gió hoặc trong trường hợp khẩn cấp, hệ thống hãm cóthể điều khiển bằng cơ hoặc bằng điện hay bằng thủy lực để dừng rotor

Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ

gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắcđộng cơkhoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phátnóng

Hộp số máy phát điện (Gear box): Dùng để tăng tốc độrotorvớitốc độ

quaytheo yêu cầu củacácmáy phát điệnđể sản xuất điện từ 30 đến 60 vòng/phút lên

1200 đến 1500 v/p để có khả năng phát ra điện Đây là phần chính yếu của turbine gió và giá thànhcủa bộ phận này chiếm 75% giá thành của toàn hệ thống turbine

Máy phát điện gió (Generator): Máy phát điện là một thành phần quan

trọng không thể thiếu trong turbine gió, vì nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng củaturbine thành điện năng và để điều khiển điện áp thông qua tốc độ quay của turbine

Trục tốc độ cao (High – speed shaft):Là trục truyền động ở tốc độ cao của

máy phát

Trục tốc độ thấp (Low – speed shaft): Là trục trục quay tốc độ thấp của

máy phát

Vỏ (Nacelle): Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ

và bao gồm các phần như: hộp số, trục tốc độ thấp và cao, máy phát điện gió, bộđiều khiển, bộ hãm Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Vỏphải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

Bước răng (Pitch): Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho

rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện

Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.

Tháp (Tower): Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép trụ

đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn

Hình 2.9: a) Cột tháp thanh sắt chéo (Lattice Tower); b) Cột tháp chằn giữ

(Guyed Tower); c) Cột tháp tiêu chuẩn tự do (Free Tower)

Đo hướng gió (Wind vane): Dùng để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw

drive” để định hướng turbine gió

Truyền động hướng (Yaw drive): Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng

về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió

Động cơ truyền động hướng (Yaw motor): Động cơ cung cấp cho “yaw

drive” định được hướng gió

2.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của các thành phần chính của turbine gió

Năng lượng gió làm cho hai hoặc ba cánh quạt quay quanh một rotor Màrotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máyphát để phát ra điện Dòng điện từ máy phát phát ra qua bộ chỉnh lưu xoay chiềuthành một chiều và sau đó nghịch lưu một chiều thành xoay chiều có dạng sốnghình sin và tần số ổn định là 50Hz giống như tần số của lưới điện để hòa được vàolưới điện

2.3.2 Đặc tính chung của các loại máy phát điện gió

2.3.2.1 Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly fed induction generat -or

DFIG)

Hình 2.10: Hệ thống máy phát điện nguồn kép

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép là loại máy phổ biến dùng cho các loạimáy phát điện turbine gió loại lớn

- Ưu điểm của DFIG

Tốc độ có thể thay đổi trong một phạm vi ổn định với các chi phí chuyển đổigiới hạn

Có thể điều khiển công suất phản kháng và tác dụng của stator một cách độclập bởi bộ chuyển đổi các dòng rotor được điều khiển

Có thể điều khiển công suất phản kháng của máy phát điện độc lập ở phầnchuyển đổi phía lưới Điều này cho phép chất lượng của điện áp cung ứng phía lướiđiện

- Nhược điểm

Sự phát tán nhiệt do ma sát hộp số, hộp số phải bảo trì thường xuyên, nghetiếng ồn lớn từ hộp số, mô men xoắn đỉnh cao trong các dòng máy lớn, vòng bàntrượt đưa điện tới rotor cần duy tu sửa chữa, để hạn chế dòng khởi động thì mạchbên ngoài phải đồng bộ hóa giữa stator và lưới điện

2.3.2.2 Máy phát điện kiểu lòng sóc(Squirrel Cage Induction generator- SCIG)

Hình 2.11:Máy phát điện kiểu lồng sóc

- Ưu điểm của SCIG

Công nghệ mạnh mẽ, máy phát điện sản xuất hàng loạt dễ dàng và tương đốirẻ.Hệ thống không có kết nối điện giữa stator và rotor Hơn nữa, nó cho phép máyđược điểu chỉnh để hoạt động ở một tốc độ cố định khi nó được kết nối với mộtmạng lưới lớn cung cấp tần số điều khiển ổn định, đó là loại phổ biến nhất của máyphát điện được sử dụng cho các turbine gió lưới kết nối

- Nhược điểm của SCIG

Không thể điều chỉnh tốc độ turbine để tối ưu hóa hiệu quả khí động học,hộp số chiếm một khối lượng lớn trong thùng máy, và chi phí đầu tư rất lớn, khôngthể hỗ trợ điều khiển điện áp lưới điện trong hầu hết các trường hợp, chi phí của cáccông cụ chuyển đổi rất cao

2.3.2.3 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet

Synchronous Generator - PMSG)

- Ưu điểm

Hình 2.12:Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu

Máy phát điện loại này có một hiệu quả và năng suất tốt, các máy phát điện

có chi phí rẻ đầu tư, phát điện không có chổi than, được sử dụng cả hai trong 50 Hz

và 60 Hz lưới, khả năng lỗi lưới là ít phức tạp hơn, độ tin cậy cao hơn do sự vắngmặt của các thành phần cơ khí như các vòng trượt

- Nhược điểm

Bộ chuyển đổi lớn hơn, đắt tiền hơn, thiệt hại trong chuyển đổi cao hơn bởi

vì tất cả công suất được xử lý bằng cách chuyển đổi, chi phí của nam châm vỉnh cửucao, khó khăn để xử lý trong sản xuất, khử từ của năm châm vĩnh cửu ở nhiệt độcao

2.3.2.4 Máy phát điện đồng bộ dẫn động trực tiếp (Direct-Drive Synchronous

Generator- EESG)

- Ưu điểm

Hình 2.13:Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Dẫn động trực tiếp, bộ truyền động đơn giản bởi bỏ qua hộp số, hiệu quả và

độ tin cậy cao, bộ dẫn động có độ ồn thấp

- Nhược điểm

Trọng lượng và đường kính của máy phát điện lớn, chi phí cao

Bảng 2.1: So sánh máy phát điện dẫn động trực tiếp và máy phát điện dẫn

động bằng hộp số

Bảng 2.2: So sánh chi phí máy phát điện gió dẫn động bằng hộp số DFIG,

Mô hình của gió có thể mô phỏng các thời gian biến thiên của vận tốc gió,bao gồm gió giật và tốc độ gió thay đổi nhanh chóng Theo (PM Anderson và AnjanBose 1983) thì vận tốc gió Vw có thể được viết là: