Luan van Dieu khien va on dinh may phat dien gió

Máy phát cảm ứng nối kép DFIG gồm có một máy phát cảm ứng rotor dây quấn (WRIG) có cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới phân phối 3 pha có tần số cố định và cuộn dây rotor được nối với lưới qua bộ biến tần đối lưng thuận nghịch sử dụng linh kiện điện tử đóng cắt IGBT, bộ chuyển đổi điện áp này tách rồi giữa tần số cơ và tần số lưới điện, cho nên tuabin gió có thể thay đổi tốc độ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ

MÁY PHÁT GIÓ

1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1.1 Giới thiệu về năng lượng gió

Theo đánh giá, có từ 1 – 3 % trong tổng số năng lượng từ mặt trời đi vào tráiđất là năng lượng gió Nếu chúng ta không quan tâm, năng lượng gió này chuyểnđổi thành nhiệt dưới dạng ma sát rồi khuếch tán hoàn toàn vào bề mặt trái đất và khíquyển Turbine gió là máy biến đổi động năng của gió thành điện năng Đó là nguồnnăng lượng vô tận, phân bố rộng rãi và sạch

Hình 1.1: Tuabin gió

Với mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng có xét đến khíacạnh bảo vệ môi trường và tính kinh tế, lĩnh vực biến đổi năng lượng gió đang thuhút được rất nhiều sự quan tâm như một nguồn năng lượng mới thích hợp(Renewable Energy) Hơn nữa, năng lượng gió được xem như nguồn năng lượng

sạch, không thải các loại khí gây hiệu ứng nhà kính Mặc dù ảnh hưởng đến cảnhquan và phát ra tiếng ồn, song nếu xét tổng thể thì tác động của sự chuyển đổi nănglượng gió đến môi trường sinh thái hầu như không đáng kể so với những dạng nănglượng khác Đứng trước thực tiễn nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá)ngày dần cạn kiệt và nguồn năng lượng thủy điện cũng có giới hạn, năng lượng gióđược xem như một trong những dạng năng lượng thay thế trong tương lai nằm trongchiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về năng lượng giótrên thế giới

Ở thời điểm hiện tại, năng lượng gió chỉ chiếm một tỷ lệ 0.6% của tổng nhucầu năng lượng điện của thế giới Thế nhưng, tổng công suất lắp đặt trên toàn thếgiới đã gia tăng với tốc độ bình quân hơn 28%/năm trong hơn một thập kỷ qua, lĩnhvực biến đổi năng lượng gió đang được coi là lĩnh vực có tốc độ phát triển nhanhnhất

Dẫn đầu nhóm các quốc gia phát triển về năng lượng gió là Đức với tỷ lệđóng góp của năng lượng gió chiếm hơn 5% tổng nhu cầu điện năng, Tây Ban Nha

là 8% và Đan Mạch xấp xỉ 20%

Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển không ngừng về kỹ thuật và công nghệ

đã góp phần thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực biến đổi năng lượnggió, gia tăng công suất lắp đặt trên mỗi tuabin, giảm chi phí đầu tư và do đó giảmđáng kể giá thành trên mỗi đơn vị điện năng được tạo ra

Sự biến đổi năng lượng gió được thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máyphát, có thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi Có nhiều lý do cho việc

sử dụng hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, trong đó quan trọng nhất

là phạm vi thay đổi tốc độ rộng cho phép điều khiển tối ưu công suất nhận được từgió, giảm ứng lực tác động lên kết cấu cơ khí khi có sự thay đổi tốc độ gió đột ngột

và khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng

1.1.2 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam

Với điều kiện địa lý thiên nhiên của nước ta với hơn 2000km bờ biển, có chế

độ gió mùa quanh năm Các nhà nghiên cứu năng lượng, các nhà khoa học qua khảo

sát, kiểm định, đối sánh đã tìm ra được những vị trí tối ưu để đặt các nhà máy phátđiện năng lượng gió với qui mô khá lớn tại Việt Nam

 Tốc độ gió, cấp gió

Một trong các thông số đặc trưng của gió là tốc độ gió, thường ký hiệu là V(đơn vị m/s hoặc km/h)

Căn cứ vào tốc độ gió người ta chia các cấp và bảng cấp gió được phổ biến

sử dụng trên thế giới hiện nay là bảng cấp gió Bô-Pho (Beaufor) với 12 cấp

Bảng 1.1 Bảng cấp gió Beaufor

bình kg/m 2

Đặc điểm của gió

 Chế độ gió ở Việt Nam

Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua các số liệu về gió củaCục Khí tượng Thủy văn.

Bảng 1.2 Tiềm năng gió Việt Nam

bình V tb (m/s)

Mật độ công suất gió(W/m 2 )

Mật độ năng lượng năm (E = kWh/m 2 )

xa tốc độ gió tới 6 ÷ 8m/s Như vậy, tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc

Âu ở vĩ độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả

Còn ở vùng đồng bằng tốc độ gió nhỏ hơn 3 ÷ 4m/s, do đó việc sử dụng động

cơ gió chắc sẽ không đạt hiệu quả

Ở các vùng núi tốc độ gió còn thấp hơn trừ một vài vùng núi cao và những nơi

có địa thế đặc biệt tạo ra những hành lang hút gió

Theo số liệu của Ngân hàng Thế giới, tiềm năng gió của một số nước vùngĐông Nam Á, trong đó có Việt Nam (trên độ cao 65m) rất khả quan, lớn hơn so vớicác nước lân cận như Căm Pu Chia, Lào Thái Lan

Theo số liệu này tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360MW,lớn hơn 200 lần công suất Nhà máy Thuỷ điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất

dự báo của ngành điện vào năm 2020

Tuy nhiên, đây mới chỉ là tiềm năng lý thuyết Tiềm năng có thể khai thácđược và tiềm năng kinh tế kỹ thuật sẽ nhỏ hơn nhiều Song đây sẽ là một nguồnnăng lượng tiềm năng đáng kể có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia,thay thế cho các nguồn năng lượng hoá thạch ngày càng cạn kiệt

1.2 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT GIÓ

1.2.1 Các phần chính của máy phát gió

Một hệ thống máy phát điện turbine gió thông thường có các thành phần nhưsau:

Hình 1.2 Cấu tạo của Máy phát điện turbine gió.

Dưới đây là các thành phần chính của máy phát điện gió mà hầu hết các

hệ thống đều có:

Cánh (Blade) - Cánh rôto là các thành phần chính của turbine dùng để bắt năng

lượng gió, và chuyền đổ năng lượng này thành năng lượng cơ làm quay trụcturbine Việc thay đổi góc pitch của cánh có thể làm tối ưu năng lượng thu được từgió.

Hub - Là điểm tâm nơi các cánh gắn vào, và gắn liền với trục tốc độ thấp (low

speed shaft)

Hộp số (Gear box) - Chuyển đổi vận tốc quay từ trục tốc độ thấp sang trục tốc độ

cao

Phanh (Brake) - Có cơ cấu giống phanh xe hơi, dùng để hãm và dừng hẳn tất

cả các thành phần của turbine trong quá trình công nhân sửa chữa, duy tu Ở cácturbine cỡ lớn thường có đến hai hệ thống phanh độc lập

Máy phát (Generator) - Máy phát được nối vào trục tốc độ cao, là bộ phận

chính chuyển đổi năng lượng cơ từ trục tốc độ cao thành năng lượng điện ở ngõ ra

Máy đo tốc độ và hướng gió ( Anemometer and Wind vane) - Hai thiết bị này

dùng để xác định vận tốc gió và chiều gió

Bộ xoay hướng gió (Yaw drive) - Có nhiệm vụ xoay cánh luôn luôn hướng vuông

góc với luồng gió

Bộ điều khiển (Controller) - Là một hệ thống máy tính có thể giám sát và điều

khiển hoạt động turbine, chẵn hạn khi gió đổi hướng hệ thống này sẽ điều chỉnh đểxoay cánh luôn luôn hướng vuông góc chiều gió, hoặc thay đổi góc pitch để nănglượng thu được luôn tối ưu Khi có gió bão hoặc sự cố hệ thống sẽ cho dừng hoạtđộng toàn bộ hệ thống để đảm bảo an toàn

Tháp (Tower) - Là trụ chính chống đỡ toàn bộ hệ thống.

Nacelle- Là thùng chứa toàn bộ các thành phần hệ thống trừ cánh.

1.2.2 Turbine gió

Turbine gió có thể chia làm hai lọai khác nhau

 Lọai turbine gió có tốc độ cố định

Trong đầu những năm 1990 tiêu chuẩn lắp đặt turbine gió họat động ở tốc độ

cố định Điều này nghĩa là bất chấp tốc độ gió, tốc độ rôto của turbin gió được giữ

cố định và tần số cung cấp cho lưới được giữ cố định

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của turbine gió lọai tốc độ cố định.

Turbine gió có tốc độ cố định sử dụng cho máy phát cảm ứng (rôto lồng sóchoặc rôto dây quấn) được nối trực tiếp với lưới, bằng một bộ khởi động mềm vàmột dãy tụ để bù công suất phản kháng Chúng được thiết kế để đạt được hiệu quảcao nhất cho mỗi đặc tính riêng của tốc độ gió

Loại turbine gió có tốc độ cố định có lợi thế là đơn giản, vững chắc, an tòan

và phần điện có giá thành hạ, đã được thử nghiệm tốt Bất lợi là không có khả năngđiều khiển sự tiêu thụ công suất phản kháng, giới hạn về điều chỉnh chất lượng điệnnăng, không sử dụng hết được công suất của gió khi tốc độ gió lớn

 Lọai turbine gió có tốc độ thay đổi

Cuối những năm 90 turbine gió có tốc độ thay đổi trở lên chiếm ưu thế tronglĩnh vực turbine gió

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của turbine gió lọai tốc độ biến đổi.

Turbine gió có tốc độ thay đổi được thiết kế để đạt được hiệu suất khí độnglực lớn nhất trong phạm vi rộng của tốc độ gió Với tốc độ thay đổi, nó có thể đápứng liên tục (tăng tốc hoặc giảm tốc) tốc độ quay của turbine gió ứng với tốc độcủa gió Hệ thống điện có turbine gió tốc độ thay đổi được ứng dụng rộng rãi hơn

phát cảm ứng) nối với lưới qua bộ biến đổi điện tử công suất Bộ biến đổi điện tửcông suất điều khiển tốc độ máy phát qua bộ điều tốc

Lợi ích của turbine gió có tốc độ thay đổi là gia tăng năng lượng thu được từgió, cải thiện chất lượng điện năng và giảm dao động cơ khí trong turbine gió Bấtlợi là có tổn thất trong bộ biến tần điện tử công suất, sử dụng nhiều thiết bị hơn vàtăng giá thành đầu tư

1.2.3 Máy phát gió

Máy phát gió gồm có 1 rotor lấy năng lượng từ gió chuyển thành năng lượng

cơ và 1 máy phát điện có nhiệm vụ chuyển năng lượng cơ thành năng lượng điện

Có 3 loại máy phát gió thường được sử dụng là:

 Constant (fix) speed induction generator wind turbine with squirrel cageinduction generator (CSIG): tuabin gió tốc độ không đổi với máy phát khôngđồng bộ rotor lồng sóc

 variable speed wind turbine with doubly-fed (wound rotor) inductiongenerator (DFIG): tuabin gió tốc độ thay đổi với với máy phát điện khôngđồng bộ rotor dây quấn

 variable speed wind turbine with direct-drive synchronous generator(DDSG): tuabin gió thay đổi tốc độ với máy phát đồng bộ truyền động trựctiếp

Được chia thành 2 dạng chính :

 Fixed speed with squirrel cage induction generator (Fix Speed)

 Variable speed gồm: double fed induction generator (DFIG) và convertdriven synchronous generator

Bản báo cáo năng lượng gió năng 2005 cho thấy năm 2004 ở Đức, 92%tubine được lắp đặt là variable speed DFIG (50%) và convert driven synchrorousgenerator (40%) Lý do chọn DFIG nhiều như thế là vì sự khả năng điều khiển tốtnhất của nó so với các loại khác Bộ điểu chỉnh slip và pitch cho phép máy phátđiều chỉnh năng lượng điện cho phù hợp và góp phần phục hồi lại trạng thái hoạt

động bình thường.Mặc khác, kích thước bộ chuyển đổi năng lượng điện giảm tới30-50%

A-Máy phát gió dạng fix speed:

(Fix speed induction generator wind turbine with squirrel cage induction generator(CSIG)):

Sử dụng máy phát cảm ứng nên cấu tạo khác với máy phát đồng bộ, nókhông có cuộn kích từ để tạo từ trường cho máy Do đó, máy phát gió Fix Speedphải có nguồn cung cấp ngoài Moment điện từ bên trong động cơ cảm ứng:

Te=KsU2Với : K: hằng số phụ thuộc vào các thông số của máy

s: độ trượt của máy

U: điện áp tua bin gió

Phương trình vi phân :

Với J: moment quán tính của khối lượng quay

Tm: moment xoắn cơ học của rotor

ω: tốc độ rotor

Từ phương trình trên ta thấy, Tm được giữ không đổi và bất kì sự thay đổinào của Te cũng dẫn tới trạng thái sự cố Khi sự cố được cắt, điện áp của hệ thốngđược phục hồi và từ trường bên trong khe hở không khí được lắp đầy Chính điềunày tạo nên dòng khởi động lớn được bơm vào lưới điện từ máy phát, gây ra sự sụt

áp giữa máy phát gió Fix Speed và trạm điện, cuối cùng dẫn tới sự giảm áp tại máyphát gió Nếu năng lượng từ trường cao hơn moment cơ thì tốc độ rotor buộc phảigiảm xuống và máy phát sau đó sẽ hoạt động lại trạng thái bình thường sau một vàinhiễu loạn Để tránh điều này xảy ra cần phải có thời gian cắt tối đa cho máy phátgió Fix Speed

Khi có ngắn mạch điện áp của máy phát sẽ rớt xuống Điện năng của máy phát

sẽ tỉ lệ với điện áp cuối Do đó, điện áp thấp chỉ có 1 lượng nhỏ điện năng được đưa

vào lưới Tuy nhiên năng lượng cơ vẫn tiếp tục được cung cấp từ gió, do sự mất cânbằng giữa năng lượng cơ và điện năng tạo ra nên máy phát tăng tốc Khi sự cố đượckhắc phục máy phát Fix Speed sẽ hút 1 lượng lớn công suất phản kháng từ lưới vì

nó đang có tốc độ quay cao và làm cho điện áp hồi phục tương đối chậm sau khi sự

cố được khắc phục

Tuy nhiên, khi điện áp đầu cực máy phát thấp, năng lượng điện phát ra tạithời điểm đó thấp hơn khi máy phát ở điện áp định mức Nếu rotor tăng tốc nhanhhơn sự phục hồi của điện áp, thì tiêu thụ công suất phản kháng tăng lên càng nhiều,dẫn đến giảm điện và do đó dẫn đến một tình huống xấu hơn trong sự cân bằng giữacông suất cơ và công suất điện từ Cuối cùng, điện áp tại tua bin gió sẽ rơi về không

và nó phải được ngắt kết nối với lưới điện để phục hồi điện áp lưới

Bản thân các tuabin gió sẽ bị ngắt bởi sự bảo vệ điện áp hoặc ngắt kết nốibằng do bảo vệ quá tốc độ tùy thuộc vào thiết kế và các thiết lập của hệ thống bảo

vệ Nó chỉ có thể được nối lại sau khi phục hồi điện áp lưới, điều đó có thể mất vàiphút Đặc biệt nếu hệ thống bảo vệ khác cũng đã được kích hoạt trong khi bị nhiễu,trong trường hợp này, các tuabin gió có thể không ổn định Việc xác định hành vicủa điện áp và phục hồi trong thời gian yêu cầu phụ thuộc vào tốc độ gió trên thực

tế, đặc điểm tuốc bin gió, cấu trúc liên kết mạng và thiết lập hệ thống bảo vệ

-Hình 1.5: Lưới đã nối máy phát cảm ứng rotor lồng sóc

Rotor được nối tới máy phát cảm ứng rotor lồng sóc thông qua hộp số hộp sốrất cần thiết bởi tốc độ quay của tuabin và máy phát là khác nhau Máy phát đượcnối trực tiếp vào lưới Các thay đổi của tốc độ rotor là rất nhỏ bởi vì các thay đổi tốc

độ đã được chuyển đổi trong hệ thống khớp trượt của hộp số để cố định tốc độtuabin Bởi vì sự dao động của tốc độ nhỏ nên tuabin thường được xem là hoạt động

ở tốc độ cố định

Công suất phát ra từ máy phát điện gió cần được giới hạn bởi vì máy phát cóthể bị quá tải hoặc moment có thể bị vượt quá giới hạn cho phép dẫn đến tốc độrotor không ổn định Góc mở của cánh turbine được điều khiển để giới hạn côngsuất ra bằng với giá trị định mức của máy phát cảm ứng khi tốc độ gió cao, bảo vệmáy phát và ổn định tốc độ rotor

Hình 1 6: Biểu đồ sự thể hiện phụ thuộc giữa công suất tác dụng và công suất

phản kháng với độ trượt và điện áp.

Từ hình 1.6 ta có thể kết luận chỉ có 1 giá trị công suất phản kháng sẽ tìmđược công suất tác dụng và điện áp ngõ ra Tuy nhiên Fix Speed không cho phépđiều khiển điện áp Để điều khiển được điện áp cần phải thêm những kĩ thuật đểđiều khiển công suất phản kháng của máy phát như là: điện dung tĩnh (STATCONs)hoặc bù công suất tĩnh (SVCs)

B-Máy phát cảm ứng nối kép (doubly fed induction generator)

để nối rotor tới máy phát, bởi tốc độ trong rotor và máy phát khác nhau

Cơ cấu này cho phép kết nối giữa máy phát và lưới với một tần số cố địnhcho dù tốc độ của turbine thay đổi Thuận lợi cơ bản của phương pháp này là khigió lớn có thể cho phép rotor quay nhanh hơn.

Thuật ngữ “doubly fed” nói đến yếu tố điện áp trên stator được cung cấp từlưới và điện áp trên rotor được cảm ứng từ bộ biến đổi công suất Hệ thống này chophép vận hành với sự thay đổi tốc độ lớn

Bộ biến tần công suất gồm có hai bộ biến tần: bộ biến tần phía rotor và bộbiến tần phía lưới, chúng được điều khiển độc lập với nhau Bộ biến tần phía rotorđiều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng bằng cách điều khiển cácthành phần của dòng điện rotor, bộ biến tần phía rotor điều khiển điện áp liên kết

DC và bảo đảm họat động biến tần tại hệ số công suất đơn vị bằng 1 (Q = 0)

Tùy thuộc vào điều kiện họat động của bộ truyền động, công suất được đưavào hay lấy ra từ rotor: trong tình trạng quá đồng bộ công suất đi từ rotor qua biếntần đến lưới, ngược lại công suất sẽ có chiều ngược lại trong tình trạng dưới đồngbộ

Hình 1.8: Dòng công suất trong DFIG

DFIG có nhiều lợi ích nó có khả năng điều khiển công suất phản kháng (táchrời điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng) bằng cách điều khiển

của lưới, nó cũng có thể được từ hóa từ mạch rotor, và có khả năng phát ra côngsuất phản kháng và chuyển đến stator qua bộ biến tần phía lưới.

Phần lớn trong các hệ thống, trục của rotor và máy phát được ghép lại vớinhau thông qua một hộp số Và trong các turbine gió truyền động trực tiếp, rotorđược ghép trực tiếp với máy phát Trong hầu hết các hệ thống, máy phát được ghépvào mạng điện thông qua 1 máy biến áp hoặc 1 bộ chuyển đổi năng lượng điện.Trong DFIG, cuộn stator của máy phát được ghép trực tiếp vào lưới điện, cuộn rotorđược nối vào BVSC (back to back voltage source converter)

Trong quá khứ, bộ chuyển đổi nối vào rotor bao gồm bộ chỉnh lưu và chuyểnđổi điện áp bằng các cầu thyristor Tuy nhiên kỹ thuật này đã lỗi thời, ngày nay sửdụng BVSC, với các ưu điểm là có thể điều khiển tốc độ và điều khiển điện áp Các

bộ điều khiển trong hệ thống DFIG là :

 Speed controller: ảnh hưởng đến tốc độ của rotor bằng cách điều khiểnmoment cơ của máy phát

 Pitch angle controller: cũng điều khiển tốc độ rotor , nhưng nó chỉ làm việckhi speed controller không làm việc nữa khi gặp trường hợp tốc độ gió cao.Trong trường hợp gió cao, không cho công suất quá lớn qua qua rotor (vì quátải), nó sẽ chỉnh lại góc của các cánh quạt rotor để giảm năng lượng lấy từgió

 Terminal voltage controller: là điểm nổi bật không thể thiếu trong các windturbine ngày nay

Cấu tạo của DFIG cũng giống như fix speed wind turbines, không có cuộntrường để tạo trường trong khe hở không khí của máy, và phải có nguồn gắn ngoài

Khi có sự cố xảy ra, dẫn đến ngay lập tức ngắt kết nối tuabin gió để bảo vệthiết bị điện tử Điều này thì không mong muốn khi sử dụng năng lượng gió ở lànguồn cung cấp chính năng lượng vì vậy tuabin gió phải kết nối lưới khi điện ápgiảm hoặc với kết nối ngay lập tức khi sự cố được cắt Dẫn đến yêu cầu phải sửa đổi

bộ biến đổi năng lượng của DFIG khi máy phát gió được sử dụng vào hệ thốngmạng lớn và kết nối với mạng điện ở cấp điện áp vừa và cao

Khi sự cố được cắt, điện áp hệ thống phục hồi và từ trường trong khe hởkhông khí được lắp đầy Nhưng DFIG sử dụng bộ chuyển đổi AC-AC toàn phần nốivào cuộn rotor nên có một số đặc điểm đáng chú ý như sau: sử dụng riêng biệt 2 bộđiều khiển P và Q để tăng hiệu quả của hệ thống, và bộ chuyển đổi năng lượng củarotor chỉ cần điều khiển 1 phần (20-30%) của toàn năng lượng mà vẫn điều khiểnđược toàn bộ máy phát Nhờ bộ chuyển đổi rotor mà sau khi cắt sự cố, dòng khởiđộng giảm xuống Tốc độ rotor được điều khiển bởi bộ chuyển đổi DFIG cũng gópphần tăng giới hạn ổn định của lưới so với fix speed wind turbine khi xét ở cùngđiều kiện.

Rotor-Side Converter Control System

Grid-Side Converter Control System

Pitch Control System

Hình 1.9: Sơ đồ các bộ điều khiển DFIG.

C-Máy phát đồng bộ

Rotor được nối thẳng tới máy phát không qua hộp số Máy phát đồng bộ làmột máy phát riêng có số cực từ lớn trong trường hợp tần số cơ thấp cần một máyphát riêng để máy phát có khối lượng có thể chấp nhận được để có công suất đạtđịnh mức yêu cầu Cuộn dây stator của máy phát đuợc nối tới bộ chuyển đổi điện ápnguồn Moment máy phát được điều khiển bởi sự thay đổi các dòng điện statorthông qua việc điều khiển điện áp bộ chuyển đổi phía máy phát Khi sử dụng bộchỉnh lưu diode máy phát được điều khiển gián tiếp bằng việc điều khiển điện áp

DC liên kết sử dụng bộ chuyển đổi điện áp phía lưới

Bởi vì điện áp trên trên bộ chuyển đổi điện áp tự thay đổi, công suất phảnkháng có thể được phát hay tiêu thụ bộ chuyển đổi phía lưới Vì vậy dòng điện của

bộ chuyển đổi phía lưới được điểu khiển để công suất thật của máy phát chuyển

đến lưới (gần) bằng điện áp chuẩn Giống như tuabin sử dụng với máy pháy cảmứng nối kép (DFIG) có thể điều khiển cả công suất tác dụng và công suất phảnkháng

Ở tốc độ gió cao công suất máy phát được giới hạn lại để bảo vệ máy phát và

bộ chuyển đổi do sự cân bằng công suất giưa công suất cơ và công suất điện Điềunày dẫn đến tăng tốc rotor, cần phải giới hạn tốc độ này lại bằng cách điều khiểngóc quay của cánh quạt

Là 1 máy phát đồng bộ cực cao được thiết kế cho tốc độ thấp Để có thể vậnhành ở nhiều tốc độ, máy phát đồng bộ được nối vào mạng điện thông qua 1 bộchuyển đổi tần số toàn tải Máy phát đồng bộ không hút Q từ mạng điện trong suốt

sự cố và sau khi sự cố được cắt Tuabin gió có thể duy trì sự ổn định điện áp trongthời gian ngắn là nhờ bộ chuyển đổi grid-side góp phần điều khiển Q và V của hệthống

Hình 1.11: Các bộ điều khiển của DDSG.

Nhận xét

Các tuabin gió thường không tham gia vào việc kiểm soát điện áp, tần số vànếu nhiễu xảy ra, các tuabin gió được ngắt khỏi lưới và được kết nối lại khi đã khôiphục lại hoạt động bình thường Vì vậy, tuy có sự hiện diện của tuabin gió, nhưngtần số và điện áp được bảo đảm bởi sự điều khiển của các nhà máy điện lớn giốngnhư trong trường hợp không có bất kỳ tuabin gió nào Điều này mang đến tính khảthi do việc gia nhập thị trường điện gió còn thấp Tuy nhiên, xu hướng mới hiện nay

là tăng lượng điện tạo ra từ sức gió Do đó, sự phát triển của các tuabin gió vào các

hệ thống năng lượng điện sẽ tăng, nó có thể bắt đầu ảnh hưởng đến hoạt động tổngthể của hệ thống điện và vì vậy sẽ không còn việc chỉ có thể hoạt động bằng cáchkiểm soát các nhà máy điện quy mô lớn Do đó, việc nghiên cứu hoạt động của cáctua bin gió trong một hệ thống năng lượng điện và sự tương tác của nó với các trangthiết bị phát điện và với các tải trọng là rất quan trọng Trong luận văn này, chỉnghiên cứu điển hình với máy phát gió dạng Fix Speed

Chương 2 TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH HTĐ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

Các kích động đối với hệ thống điện được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ

và các kích động lớn

a Ổn định tĩnh

Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sư biến đổi củathiết bị điều chỉnh…Các kích động này tác dụng lên rotor của máy phát, pháhoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị tácđộng Chế độ xác lập muốn duy trì được thì phải chịu được các kích độngnhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước cáckích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phụcsau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói hệ thống có ổn định tĩnh.Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thựctế

b Ổn định động

Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên độkhá lớn Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện,biến đổi của phụ tải và các sự cố ngắn mạch… Các kích động lớn tác độnglàm cho công suất cân bằng Cơ-Điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lậptương ứng bị dao động rất mạnh Khả năng của hệ thống điện chịu được các

kích động này mà chế độ xác lập không bị phá hoại gọi là khả năng ổn địnhđộng của hệ thống.

Như vậy ổn định động là điều kiện để chế độ của hệ thống điện tồn tại lâudài

c Ổn định tổng quát

Khi một chế độ nào đó của hệ thống điện chịu một kích động nhỏ hoặc lớn,nếu hệ thống điện có tính ổn định tĩnh hoặc ổn định động thì sự cần bằngcông suất tác dụng ban đầu sẽ được khôi phục lại, chế độ làm việc được giữvững Trong quá trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định mức song

độ lệch này quá nhỏ cho nên tần số được xem như không đổi Vì vậy đặctrưng quá trình dao động rotor của máy phát khi chưa mất ổn định là tốc độgóc của chúng và vẫn giữ giá trị đồng bộ ⍵ = ⍵0 chế độ vẫn là chế độ đồngbộ

Nếu hệ thống mất ổn định thì sự cân bằng bị phá hủy, tốc độ góc của rotor bịlệch khỏi giá trị định mức với giá trị lớn, trong hệ thống xuất hiện hệ số trượts

Trong đó + ω tốc độ góc tức thời của máy phát

+ ω0 tốc độ đồng bộKhi hệ thống rơi vào chế độ không đồng bộ công suất và các thông số khácdao động rất mạnh với biên độ lớn Chế độ không đồng bộ kéo dài sẽ dẫnđến

- Hệ thống tan rã hoàn toàn, các máy phát bị cắt khỏi lưới và ngừng làmviệc

d Ổn định điện áp

Ở các nút phụ tải, các kích động nhỏ làm cho điện áp biến đổi Sự biến đổiđiện áp này có thể làm cho cân bằng công suất tác dụng và công suất phảnkháng bị phá hoại dẫn đến mất ổn định phụ tải, các động cơ không đồng bộ

ngừng làm việc Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này

mà chế độ làm việc không bị phá hoại gọi là ổn định phụ tải hay là ổn địnhđiện áp

 Hệ thống được coi là mất ổn định khi sự cố xảy ra hệ thống không thể hội tụ

về một điểm nào đó Phổ biến nhất của sự mất ổn định là mất ổn định tổng quát vàmất ổn định điện áp Trong trường hợp đầu tiên, tốc độ rotor của máy phát khôngtrở về tốc độ danh định sau khi bị sự cố, mà vẫn tiếp tục tăng lên, dẫn đến việc máyphát bị ngắt do quá tốc độ giới hạn Trong trường hợp thứ hai, điện áp đường dâykhác giá trị danh nghĩa, nhưng vẫn tiếp tục giảm, cuối cùng dẫn đến việc máy phátđiện ngắt và rơi tải để bảo vệ khi quá áp

 Hệ thống hoạt động có thể ổn định sau khi sự cố xảy ra nhưng không thể trởnhư thời điểm trước khi xảy ra sự cố Trong trường hợp khác, chẳng hạn như việcngắt ra khỏi lưới một máy phát điện hoặc hoặc thay đổi công suất tải thì điểm hoạtđộng ổn định mới khác với các điểm hoạt động ổn định ban đầu

Việc đảm bảo ổn định động và ổn định tổng quát đảm bảo cho chế độ làmviệc lâu dài

Trong thiết kế và vận hành hệ thống, các chế độ phải thỏa mãn về yêu cầu chấtlượng điện năng, độ tin cậy, kinh tế, ổn định tĩnh phải được bảo đảm vô điều kiện,còn ổn định động và ổn định tổng quát được bảo đảm trong những điều kiện nhấtđịnh

Mục tiêu khảo sát ổn định của hệ thống là:

- Xét khả năng ổn định của các chế độ vận hành có thể xảy ra đối với hệthống điện, được thiết kế, quy hoạch cũng như vận hành Nếu khả năng

đó không đủ yêu cầu thì phải thực hiện biện pháp tăng cường nó sao cho

hệ thống không mất ổn định khi rơi vào chế độ đó

- Khả năng ổn định của hệ thống điện được biễu diễn bằng độ dự trữ ổnđịnh, đây là đại lượng phản ánh sự so sánh giữa chế độ được xét ổn định

và chế độ giới hạn ổn định, tức là chế độ nào đó thì trước hết phải tínhđược giới hạn ổn định của hệ thống..

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐỘNG HTĐ

2.2.1 Phương pháp tích phân số :

Phương pháp tích phân số được áp dụng phổ biến để nghiên cứu ổn định độngHTĐ Theo các thuật toán khác nhau, thực hiện tích phân số hệ phương trình viphân phi tuyến QTQĐ có thể xác định được đường cong biến thiên góc lệch δ trên

cơ sở đó đánh giá được ổn định động

Ưu điểm : Tính vạn năng đối với các loại đối với các loại mô hình và cấu trúc

Kết quả tính toán bằng phương pháp tích phân số là các trị số của các góc lệchδ(t) ở những thời điểm khác nhau Nếu tính toán với thời gian đủ dài, ở thời điểm cóδ(t) < 2π ta nói QTQĐ ổn định

Hệ không ổn định khi Fht max < Ftt

Đối với HTĐ đơn giản xét theo mô hình đơn giản hóa QTQĐ phương pháp diện tích tỏ ra rất thuận tiện và hiệu quả Trong phạm vi có thể (với các phép biến

đổi đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ) người ta thường sử dụng tối đa ưu điểm của

phương pháp này

2.2.3 Phương pháp tiếp cận số :

Để nghiên cứu, phân tích đáp ứng của lưới phân phối có sử dụng nguồn phân

bố, chúng ta cần phải nghiên cứu kĩ mô hình của nguồn phân bố, mô hình tải,…thông qua những phương trình toán học đặc trưng cho nó Những phương trình toánhọc đó thường có dạng sau:

Trong đó:

t : thời gianx(t) : là những biến trạng thái theo thời gian như tần số, gócrotor, tốc độ rotor, điện áp…

u(t) : là các tác nhân đầu vào như dòng điện, điện áp, côngsuất…

f : là hàm số (có thể tuyến tính hoặc phi tuyến) mô tả mốiquan hệ giữa các biến đầu vào u(t), các biến trạng thái x(t)

Việc giải quyết những phương trình toán học này sẽ giúp chúng ta xác địnhđược tình trạng của lưới điện khi xảy ra những sự cố; từ đó giúp cho việc phân tích,nghiên cứu đáp ứng của lưới điện một cách rõ ràng

Để giải những phương trình vi phân trên, chúng ta có thể sử dụng phươngpháp tiếp cận số, trong đó bao gồm những phương pháp Euler,Runge-Kutta…

Phương pháp tiếp cận số, như đã nói ở trên, được sử dụng để giải nhữngphương trình vi phân bậc cao, hoặc những phương trình vi phân không tuyến tính

Đây là phương pháp được áp dụng hầu hết trong những ứng dụng dành cho máy vitính để giải phương trình vi phân.

Một hệ thống điện có thể được biễu diễn bằng phương trình đặc trưng:

Từ phương trình đặc trưng, ta có thể tính toán được giá trị của x tại thời điểmt(t>=t0)

x(t)=x0+

x0 : giá trị của biến x tại thời điểm t=t0Tích phân được tính bằng cách sử dụng phương pháp gầnđúng bằng cách chia nhỏ khoảng thời gian (t0,t) thành n khoảng thời gian nhỏ bằngnhau có độ dài bằng h

2.2.3.1Phương pháp Euler:

Xét hàm số y=f(x) với x ϵ[x0,X]

Chia [x0,X] thành n đoạn nhỏ

(1.1)

Khai triển Taylor hàm số y=f(x) tại xi ta có:

Với ci=xi +(x-xi) ,0<<1

Thay x=xi+1=xi+h và y’(xi)=f(xi,y(xi)) ta có:

Với bước chia h khá bé thì số hạng cuối xem như gần bằng 0,nên ta được:

Như vậy ta có thể tính giá trị y(xi+1) từ giá trị y(xi) với điều kiện đầu y(x0)

Từ đó, ta có thể xác định giá trị của yn+1 từ các giá trị trước đó.

2.2.3.3 Phương pháp sai phân:

Quy luật hình thang được tính theo công thức :

Phương trình tổng quát để tính giá trị của x tại thời điểm t=tn+1 là:

2.2.4 Công cụ thực hiện:

Có rất nhiều cách để giúp chúng ta thực hiện việc giải những phương trìnhtrạng thái mô tả lưới điện, từ đó nghiên cứu đáp ứng của lưới phân phối khi cónguồn phân bố Sau đây là một số cách để thực hiện công việc trên:

1 Lập trình: có thể lập trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau (ngônngữ C++, M-file,….)

2 Mô phỏng những phương trình toán học bằng những khối trongMatlab Simulink, được thực hiện ở trong file *.mdl

3 Mô phỏng những phương trình toán học trong file *.mdl, kết hợpvới viết M-file

Những cách được trình bày ở trên đều cho chúng ta kết quả giống nhau vàtrong đề tài này, chúng ta sẽ sử dụng cách thứ 1 là lập trình M-file trong MATLAB

Hình 2.4 Phương pháp sai phân

Lợi ích:

+ Đơn giản, dễ thực hiện, sử dụng những ứng dụng, câu lệnh củaMatlab

+ Chính xác, ứng dụng thực tế cao

Chương 3

MÔ HÌNH CÁC MÁY PHÁT PHÂN BỐ3.1 HỆ TỌA ĐỘ KHẢO SÁT NHIỀU MÁY

Hình 3.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.

Khi rotorr quay sẽ sản sinh ra dòng điện do hiện tượng cảm ứng điện từ Docác pha được gắn lệch nhau 1200 nên ba điện áp này thỏa mãn phương trình:

Hình 3.2 : Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ αβ.

Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện

áp stator lên trục của cuộn dây tương ứng Đối với các đại lượng khác của độngcơ: dòng điện stator, dòng rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể xâydựng các vector không gian tương ứng như đối với điện áp stator ở trên

Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (|us|) quaytrên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây phaA) một góc ωst Đặt tên cho trục thực là α và trục ảo là β, vector không gian (điện ápstator) có thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (usα) và ảo (usβ) là hai thành phầncủa vector Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ αβ

Hình 3.3 : Vector không gian điện áp stator và các điện áp pha.

Bằng cách tính hình chiếu các thành phần của vector không gian điện ápstator lên trục pha A, B (trên hình 3.3), có thể xác định các thành phầntheo phương pháp hình học:

Theo phương trình và dựa trên hình 3.3 thì chỉ cần xác định hai trong số bađiện áp pha stator là có thể tính được vector

Hay:

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ αβ, xét thêm một hệ tọa độ thứ 2 có trụchoành d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi mộtgóc θs so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ αβ) Trong đó, quay tròn quanh

gốc tọa độ chung , góc θs = ωa t+ ωa0 Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vectortrong không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này.

Hình 3.4: Biểu diễn trên hệ trục αβ

Theo phương trình trên:

Và tương tự :

Từ đó suy ra:

Vector không gian trong hệ tọa độ abc và hệ tọa độ dq:

Vector không gian :

Với :

Khi θs= ωat = 0 : usd = usα ; usq = usβ

Khi đó hệ tọa độ quay dq trùng với hệ tọa độ đứng yên của stator αβ

3.1.3 Hệ tọa được sử dụng cho hệ nhiều máy phát

Để thuận tiện cho việc khảo sát cùng lúc nhiều máy phát gắn vào mạng điện,

ta biến đổi tất cả các biến số của mạng điện và máy phát vào trong cùng một hệ quichiếu cố định

Hình 3.5 : Hệ tọa độ sử dụng để khảo sát

Với : D,Q: là hệ qui chiếu tĩnh của stator

d,q : là hệ qui chiếu quay của rotor

: góc lệch giữa trực DQ và dq

Biểu diễn các đại lượng điện:

Ở đây ta biểu diễn các đại lượng điện từ hệ qui chế abc sang hệ qui chiếu dq :

, Với :

, ,

3.2 MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ

Trong chương này, ta khảo sát mô hình của máy phát đồng bộ sử dụng mô hình

2 trục được minh họa trong hình sau :

Hình 3.6 : Mô hình động cơ đồng bộ trong hệ tọa độ 2 trục (i là số máy phát ).

3.2.1 Hệ phương trình vi phân

Hệ phương trình vi phân:

(3.1)(3.2)(3.3)(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)i=1…… m : máy phát đồng bộ

 X’q: điện kháng quá độ DG ngang trục

 Rs : điện trờ stator

 : hằng số thời gian quá độ dọc trục

 : hằng số thời gian quá độ ngang trục

 H : hằng số quán tính

 D : hằng số ma sát

 Ka, Ta : độ lợi và hằng số thời gian trong bộ điều chỉnh

 Ke, Te : độ lợi và hằng số thời gian trong bộ kích từ

 Kf, Tf : độ lợi và hằng số thời gian trong bộ hồi tiếp

 ω : tốc độ của rotor

3.2.2 Hệ phương trình đại số của stator

Có rất nhiều cách để viết phương trình đại số của stator, nhưng nhằm mụcđích sử dụng phương pháp tách thành 2 phương trình thực từ 1 phương trình phức

Ở đây ta chỉ nghiên cứu 2 cách biểu diễn sau

Dạng cực:

Trong dạng này, điện áp mạng điện được biểu diễn dưới dạng cực :

(3.8)(3.9)

(3.17)