Xác định vị trí và dung lượng của máy phát điện gió để cải thiện ổn định hệ thống điện

Ngoài ra, trong quy hoạch và vận hành hệ thống điện ngày nay, các ch tiêu kinh tế cũng phải được xem xét bên cạnh các yêu cầu về kỹ thuật một trường hợp ví dụ đơn giản là khuynh hướng hu

Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với TS Dương Thanh Long đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin cần thiết cho tôi để hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường đại học Công Nghiệp TPHCM, khoa Sau đại học, khoa Công Nghệ Điện và các Bộ môn đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu luận văn của mình

Cuối cùng tôi cũng xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, công tác và thực hiện Luận văn này

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hệ thống điện là một trong những hệ thống phức tạp, nó được phát triển liên tục để đáp ứng sự phát triển kinh tế và nhu cầu tăng công suất Máy phát gió đã trải qua sự phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây và đã được ghi nhận là môi trường thân thiện và cạnh tranh về kinh tế trên phương diện sản xuất điện Trong tương lai gần, sự tham gia của điện gió trong hệ thống điện sẽ được tăng lên và bắt đầu thay thế các máy phát điện thông thường Kết quả là nó cũng bắt đầu ảnh hưởng đến trạng thái của toàn bộ hệ thống Vì vậy, ảnh hưởng của máy phát gió đến ổn định động hệ thống cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng để xác định các vấn đề phát sinh

và phát triển các phương pháp để loại bỏ các vấn đề phát sinh đó

Trạng thái động của hệ thống được xác định chủ yếu là bởi máy phát điện Ảnh hưởng động trong hệ thống điện của máy phát điện gió có thể khác so với máy phát điện thông thường Vấn đề chính trong xem xét ảnh hưởng động của hệ thống thông thường là ổn định điện áp và ổn định thoáng qua Một hệ thống được xem là ổn định điện áp nếu như điện áp được duy trì trong giới hạn vận hành Duy trì ổn định thoáng qua trong hệ thống là một vấn đề lớn trong vận hành hệ thống Đó là khả năng duy trì đồng bộ của các máy điện khi xảy ra mất cân bằng lớn

Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng vị trí và dung lượng của của máy phát gió đến ổn định điện áp và ổn định thoáng qua của hệ thống điện Máy phát gió được sử dụng trong nghiên cứu này là máy phát cảm ứng nguồn kép (DFIG) Để cải thiện ổn định hệ thống, máy phát gió được lắp đặt tại các vị trí khác nhau để tìm ra vị trí tốt nhất và công suất gió được thay đổi để xác định giá trị tối ưu Kết quả mô phỏng được thực hiện trên phần mềm PSAT/Matlab/Simulink mà cho phép truy cập vào thư viện với nhiều mô hình phần tử hệ thống điện và mô hình máy phát gió tương ứng Hệ thống IEEE 9 nút và IEEE 14 nút được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của phương pháp đề nghị Kết quả mô phỏng cho thấy rằng máy phát gió có thể cải thiện đáng kể ổn định hệ thống cho các vị trí sự cố khác nhau

iv

ABSTRACT

Power systems are complex systems that evolve over years in response to economic growth and continuously increasing power demand Wind power generation has experienced a tremendous growth in the past decade, has been recognized as an environmental friendly and economically competitive means of electric power generation In the near future, wind power penetration in electrical power systems will increase and will start to replace the output of conventional synchronous generators (CSGs) As a result, it may also begin to influence overall power system behavior Hence, the impact of wind power on the dynamics of power systems should be studied thoroughly in order to identify potential problems and to develop measures to mitigate those problems

The dynamic behavior of a power system is determined mainly by the generators Wind turbine generators (WTGs) affect the dynamic behavior of the power system

in a way that might be different from CSGs The major issues to be considered are voltage stability and transient stability A power system is said to be voltage stable

if it maintains voltage within operational limits Maintaining the transient stability

of the system is another major issue in the operation of power system It is the ability to maintain synchronous operation of the machines when subjected to a large disturbance

This thesis presents a detailed analysis of the optimum location and rating of wind turbine for studying the voltage stability and transient stability of electric power system The wind turbine used is a variable speed doubly-fed induction generator (DFIG) In order to enhance transient stability of the grid system, the wind turbine has been installed at different buses to get the best location The wind power has been changed to obtain the optimum valu e The simulation analysis was established

by PSAT/MATLAB, which gives access to an extensive library of grid components, and relevant wind turbine model An IEEE 9-bus and IEEE 14-bus system are used

v

to evaluate the performance of proposed approach Simulation results show that wind turbine can improve significant transient stability for different fault locations

vi

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Vũ Đức Vạn

vii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xviii

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 3 1.1 Ổn định trong hệ thống điện 3

1.1.1 Ổn định tĩnh 4

1.1.2 Ổn định động 4

1.1.3 Ổn định với sự cố thoáng qua 4

1.1.4 Ổn định điện áp 7

1.2 Phương trình công suất góc của hệ thống 2 máy 7

1.3 Phương trình dao động 10

1.4 Đồ thị dao động 11

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 13 2.1 Các loại máy phát trong hệ thống năng lượng gió 13

2.1.1 Máy phát điện đồng bộ 13

2.1.2 Máy phát điện cảm ứng 14

2.1.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 14

2.1.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 15

2.1.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG 15

2.1.5.1 Nguyên lý làm việc của DFIG 16

viii

2.1.5.2 Lưu lượng công suất của DFIG 18

2.2 Các hệ thống tuabin gió 18

2.2.1 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi 18

2.2.2 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi 20

2.3 Mô hình turbine gió 21

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSAT 28 3.1 Kết quả trên PSAT 31

3.2 Mô phỏng các bài toán trên PSAT 32

3.2.1 Bài toán PF (power flow) 32

3.2.2 Bài toán CPF (continuation power flow) 36

3.2.3 Bài toán OPF (optimal power flow) 39

3.2.4 Chạy mô phỏng miền thời gian (time simulation) 41

3.2.5 Nhận xét về phần mềm PSAT 43

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG CỦA MÁY PHÁT GIÓ ĐẾN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 45 4.1 Nhận xét lưới điện IEEE 9-bus 62

4.2 Mô phỏng hệ thống điện IEEE 14-bus 63

4.2.1 Trường hợp 0: khi chưa sử dụng năng lượng gió 65

4.2.2 Trường hợp 1: Thay máy phát 40MW ở bus-2 bằng DFIG 40MW 66

4.2.3 Trường hợp 2: Thay máy phát bus-2 bằng DFIG 60 MW tại bus-4 69

4.2.4 Trường hợp 3: Loại bỏ máy phát 60MW ở bus-2 thay vào đó là DFIG 60MW tại bus-5 72

4.2.5 Trường hợp 4: Giảm công suất máy phát đồng bộ tại bus-2 và gắn thêm DFIG tại bus-4 làm nhiệm vụ chia sẻ công suất 73

4.2.6 Trường hợp 5: Thay đổi công suất máy phát đồng bộ ở bus-2 75

4.2.7 Trường hợp 6: Thay đổi công suất DFIG thay cho MPĐB tại bus-2 78

4.3 Nhận xét về kết quả của các trường hợp với sự có mặt của DFIG 78

4.4 Về ảnh hưởng của mức độ thâm nhập công suất DFIG 80

4.5 So sánh ảnh hưởng của các đường dây khác nhau kết nối cùng một bus 81

4.6 Một số kết quả mô phỏng với máy phát đồng bộ 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 1 Kết luận 100

2 Kiến nghị 101

x

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ thống 2 máy 7

Hình 1.2 Sơ đồ điện kháng 8

Hình 1.3 Biểu đồ vector 8

Hình 1.4 Biểu đồ công suất góc 9

Hình 1.5 Đồ thị dao động 12

Hình 2.1 Máy phát không đồng bộ nguồn đôi DFIG 15

Hình 2.2 Hướng công suất của DFIG 16

Hình 2.3 Lưu lượng công suất DFIG 18

Hình 2.4 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi 19

Hình 2.5 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi 20

Hình 3.1 Cộng đồng những người sử dụng PSAT 28

Hình 3 2 So sánh công cụ mở rộng của PSAT/Matlab 29

Hình 3.3 Giao diện ứng dụng của PSAT version 2.1.10 31

Hình 3.4 Giao diện vẽ đồ thị quá trình động của PSAT 31

Hình 3.5 Mô hình 9-bus 33

Hình 3.6 Kết quả của bài toán PF 9-bus 35

Hình 3.7 Kết quả của bài toán PF 9-bus 36

Hình 3.8 Cửa sổ History khi chạy CPF 38

Hình 3.9 Cửa sổ History khi chạy CPF 38

Hình 3.10 mô phỏng bài toán OPF trên PSAT 39

Hình 3.11 Thông số của khối Supply 40

Hình 3.12 Kết quả bài toán trào lưu công suất 41

Hình 3.13 Cửa sổ cài đặt các thông số 41

xi

Hình 3.14 Mô hình 9-bus có sự cố 42

Hình 3.15 Thông số sự cố 9-bus 42

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng 9-bus sự cố 43

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật xác định vị trí và công suất máy phát điện gió 46

Hình 4.2 Sơ đồ của hệ thống lưới điện IEEE 9-bus 47

Hình 4.3 Biểu diễn đường cong (p-v), sự cố bus-7(7-5) (thcb) CCT=80ms 54

Hình 4.4 Biểu diễn điện áp (V) của 3 bus (5, 6, 8) sự cố bus-7(7-5) (THCB) 54

Hình 4.5 Góc (ө) của 3 bus (5, 6, 8) sự cố bus 7(7-5) (THCB) với ʎ 55

Hình 4.6 Biểu diễn điện áp (V), sự cố bus 8(8-9) (THCB) với thời gian (t)s 55

Hình 4.7 Biểu diễn góc công suất ω sự cố tại bus-6 CCT=23ms 56

Hình 4.8 Biểu diễn góc công suất ω sự cố tại bus-6 CCT=83ms 56

Hình 4.9 Biểu diễn góc công suất ω, sự cố tại bus-6 CCT=350ms 57

Hình 4.10 Biểu diễn góc ω, sự cố tại bus-7(7-5) CCT=100ms 57

Hình 4.11 Góc công suất ω, sự cố tại bus-7 (7-5), DFIG bus-3 58

Hình 4.12 Góc công suất ω, sự cố tại bus-7 (5-7), DFIG bus-1 58

Hình 4.13 Biểu diễn góc ω, sự cố bus-7 (5-7), DFIG bus-2 59

Hình 4.14 Biểu diễn góc công suất ω, sự cố bus 7 (5-7) CCT=100ms, DFIG bus-559 Hình 4.15 Góc công suất ω, sự cố tại bus-7 (5-7), DFIG bus-6 60

Hình 4.16 Biểu diễn góc công suất ω, sự cố bus-7 (5-7) 60

Hình 4.17 Biểu diễn góc công suất ω, sự cố tại bus-7 (5-7) 61

Hình 4.18 Biểu diễn Pω, sự cố tại bus-7 (5-7), DFIG bus-7 61

Hình 4.19 Biểu diễn Pω, sự cố tại bus-7 (5-7), DFIG bus-4 62

Hình 4.20 Hệ thống điện IEEE 14-bus 63

Hình 4.21 Sơ đồ lưới IEEE 14-bus khi chưa có DFIG 65

Hình 4.22 Sơ đồ 14-bus thay DFIG cho MPDB tại bus-2 66

xii

Hình 4.23 Sơ đồ lưới IEEE 14-bus thay MPDB tại bus-2 bằng DFIG tại bus-4 70

Hình 4.24 Sơ đồ lưới IEEE 14-bus thay MPDB tại bus-2 bằng DFIG tại bus-5 72

Hình 4.25 Sơ đồ lưới IEEE 14-bus sử dụng DFIG chia sẻ công suất phát 73

Hình 4.26 Sơ đồ lưới IEEE 14-bus sử dụng DFIG chia sẻ công suất phát 76

Hình 4.27 Sự cố bus-3, CCT=150ms biểu diễn điện áp V (KV) 88

Hình 4.28 Sự cố tại bus-7(7-8) CCT=150 ms khi có DFIG tại bus-7 89

Hình 4.29 Khi có DFIG tại bus-2 và sự cố bus-9(9-4) CCT=150 ms 89

Hình 4.30 DFIG bus-2 sự cố bus-14(13-14), CCT=150 ms 90

Hình 4.31 DFIG bus-3 sự cố bus-3(3-2), CCT=150 ms 90

Hình 4.32 DFIG bus-6 sự cố bus-2(2-3), CCT=150 ms 91

Hình 4.33 Trường hợp cơ bản (MPĐB) bus-6 sự cố bus-2, CCT=272 ms 91

Hình 4.34 Trường hợp cơ bản sự cố bus-2 CCT=456 ms 92

Hình 4.35 Trường hợp cơ bản sự cố bus-2 CCT=621 ms 92

Hình 4.36 Trường hợp cơ bản sự cố bus-6 (6-11), CCT=7.58 93

Hình 4.37 Biểu diễn (P-V) sự cố bus-2 CCT=605 ms 93

Hình 4.38 Biểu diễn góc δ(1.7p.u) (MPĐB) sự cố bus-6 (6-13) CCT=623ms 94

Hình 4.39 Điện áp V(p.u) với thời gian (t) sự cố bus-6(6-13) CCT=623ms 94

Hình 4.40 Biểu diễn (v-ʎ) (p.u) sự cố bus-7(7-4) CCT=779ms, ʎ=1.65(p.u) 95

Hình 4.41 Điện áp V(p.u) với thời gian (t) sự cố bus-8(7-8) CCT=80ms 95

Hình 4.42 Trường hợp cơ bản sự cố bus-7(7-8) CCT=150ms 96

Hình 4.43 DFIG bus-1 sự cố bus-9(9-4) CCT=150ms 96

Hình 4.44 DFIG bus-2 sự cố bus-2(2-3) CCT=150ms 97

Hình 4.45 DFIG bus-4 và bus-5 sự cố bus-2(2-3) CCT=150ms 97

Hình 4.46 DFIG bus-6 sự cố bus-2(2-3) CCT=150ms 98

Hình 4.47 DFIG sự cố bus-7(7-8) CCT=150ms 98

xiii

Hình PL1.1 Màn hình đồ họa của PSAT 106

Hình PL1.2 Màn hình đồ họa PSAT khi chạy PF 107

Hình PL1.3 Màn hình đồ họa của PSAT khi chạy CPF 107

Hình PL1.4 Màn hình đồ họa của PSAT khi chạy OPF 107

Hình PL1.5 Các thông số của máy điện đồng bộ 107

Hình PL 1.6 Khối Flexible AC Transmission Systems 113

Hình PL 1.7 Khối Wind Turbine 115

Hình PL 1.8 Khối Other Models 116

Hình PL 1.9 Cửa sổ PSAT Simulink (.mdl) 117

Hình PL 1.10 Cửa sổ mô phỏng của PSAT 118

Hình PL 1.11 Cửa sổ Data Conversion 119

Hình PL 1.12 Cửa sổ Settings 120

Hình PL1.13 Cửa sổ Static Report 122

Hình PL1.14 Biểu đồ hình cột thông số điện áp mô hình 9-bus 123

Hình PL1.15 Biểu đồ hình cột thông số góc điện áp mô hình 9-bus 123

Hình PL 1.16 Phân bố công suất của mô hình 9-bus 126

Hình PL 1.17 Một số hình ảnh của mô hình 9-bus 127

Hình PL1.18 Cửa sổ làm việc của Plotting Utilities 128

Hình PL1.19 Một số biểu đồ của Plotting Utilities 128

Hình PL1.20 Thay đổi dạng sóng 128

Hình PL1.21 Thay đổi góc tham chiếu 129

Hình PL 1.22 Cửa sổ làm việc của Axes Properties 129

Hình PL1.23 Một số điều ch nh ở mục Axes Properties 130

Hình PL1.24 Option: Plot voltage limits 130

Hình PL1.25 Option: Use Hz for rotor speed 131

xiv

Hình PL 2.1 Mô hình 14-bus IEEE 132

Hình PL 3.1 Sự cố trên đường dây 2 - 4 135

Hình PL 3.2 Tốc độ rotor các máy phát khi xảy ra sự cố đường dây 2 - 4 136

Hình PL 3.3 Tốc độ rotor khi xảy ra sự cố 136

Hình PL 3.4 Công suất tác dụng và phản kháng của máy phát điện 2 137

Hình PL 3.5 Tốc độ rotor của các máy phát điện khi đóng sự cố 5s 137

Hình PL 3.6 Góc rotor tại các máy phát điện khi đóng sự cố 5s 138

Hình PL 3.7 Tốc độ và góc rotor của các máy phát điện (2s) 138

Hình PL 3.8 Sự cố 3 pha tại bus-2 mô hình 14-bus 140

Hình PL 3.9 Góc rotor khi xảy ra sự cố tại bus 2, tcắt lớn 140

Hình PL 3.10 Cường độ điện áp tại các bus khi xảy ra sự cố 141

Hình PL 3.11 Góc rotor các MF khi xảy ra sự cố với t cắt nhỏ 141

Hình PL 3.12 Tốc độ rotor của các MF khi xảy ra sự cố t cắt nhỏ 142

xv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các mô hình thiết bị hệ thống điện được cung cấp bởi PSAT 30

Bảng 3.2 Các thông số của bộ AVR 33

Bảng 3.3 Các thông số của các máy phát 34

Bảng 4.1 Biểu đồ phân bố công suất 9-bus không có AVR 48

Bảng 4.2 Phân bố công suất 9-bus có AVR 49

Bảng 4.3 Phân bố công suất 9 bus có DFIG bus-5 và sự cố bus-7 49

Bảng 4.4 Phân bố công suất 9 bus có DFIG bus-6 và sự cố bus-7 50

Bảng 4.5 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-8 và sự cố bus-7 50

Bảng 4.6 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-1 và sự cố bus-7 51

Bảng 4.7 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-2 và sự cố bus-7 51

Bảng 4.8 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-3 và sự cố bus-7 52

Bảng 4.9 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-4 và sự cố bus-7 52

Bảng 4.10 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-7 và sự cố bus-7 53

Bảng 4.11 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-9 và sự cố bus-7 53

Bảng 4.12a CCT trong các trường hợp cơ bản 65

Bảng 4.12b CCT xếp theo nhóm bus trong các trường hợp cơ bản 66

Bảng 4.13a CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 1 67

Bảng 4.13b CCT khi sử dụng DG tại bus-2 67

Bảng 4.14 CCT khi sử dụng DG tại bus-2 trường hợp 1 68

Bảng 4.15 CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 2 70

Bảng 4.16 CCT trong trường hợp 2 theo nhóm các bus 71

Bảng 4.17 CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 4 74

Bảng 4.18 CCT của các sự cố nhóm bus trong trường hợp 4 74

xvi

Bảng 4.19a CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 5 77

Bảng 4.19b Tỷ lệ thay đổi CCT trong trường hợp 5 77

Bảng 4.20 Thay đổi công suất DFIG thay cho MPĐB tại bus-2 78

Bảng 4.21 CCT định mức trong 5 trường hợp thí nghiệm 80

Bảng 4.22 Ảnh hưởng DG gió bus-2 trong trường hợp 6 81

Bảng 4.23 CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp (2+4) 83

Bảng 4.24 CCT các trường hợp có STATCOM khi có DFIG bus-2 84

Bảng 4.25 Phân bố công suất và điện áp trên 14-bus khi không có sự cố 85

Bảng 4.26 Mô phỏng trào lưu công suất (CPF), trường hợp cơ bản 86

Bảng 4.27 Phân bố công suất trường hợp cơ bản không có sự cố 87

Bảng 4.28 Công suất đường dây sự cố bus-(2,4) với CCT=150 ms 88

Bảng PL1.2 Chức năng trên thanh công cụ 105

Bảng PL 1.3 Thông số của MFĐB và MFKĐB 108

Bảng PL1.4 Các thông số của Máy điện không đồng bộ 109

Bảng PL 1.5 Các thông số của bộ TG 110

Bảng PL1.6 Các thông số của bộ AVR 111

Bảng PL 1.7 Các thông số của bộ PSS 112

Bảng PL 1.8 Các thông số của bộ TCSC 114

Bảng PL 1.9 Các thông số của bộ HVDC 115

Bảng PL 1.10 Báo cáo của mô hình 9-bus 125

Bảng PL 2.1 Thông số bộ AVR của các Exciter trong hệ thống 133

Bảng PL 2.2 Thông số các máy phát trong hệ thống 133

Bảng PL 2.3 Thông số các thanh cái trong hệ thống 134

Bảng PL 3.1 Trào lưu công suất lưới điện 9- bus có DFIG bus-5 143

Bảng PL 3.2 Trào lưu công suất lưới điện 9- bus có DFIG bus-5 144

xvii

Bảng PL 3.3 Trào lưu công suất lưới điện 9- bus có DFIG bus-5 145

Bảng PL 3.4 Trào lưu công suất lưới điện 9- bus có DFIG bus-6 146

Bảng PL 3.5 Trào lưu công suất trên đường dây lưới điện 9- bus, DFIG bus-6 147

Bảng PL 3.6 Trào lưu công suất lưới điện 9- bus có DFIG bus-8 148

Bảng PL 3.7 Trào lưu công suất lưới điện 14- bus có DFIG bus-2 149

Bảng PL 3.8 Trào lưu công suất trên đường dây/14- bus có DFIG bus-2, F2 150

Bảng PL 3.9 Trào lưu công suất trên các bus/14- bus có DFIG bus-2, F3 151

Bảng PL 3.10 Trào lưu công suất trên đường dây/14- bus có DFIG bus-2, F3 152

DSA Dynamic Security Assessment

FACTS Flexible AC Transmission Systems

HTĐ Hệ thống điện

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

MPĐKĐB Máy phát điện không đồng bộ

xix

THCB Trường hợp cơ bản

UPFC Unified Power Flow Controller

V Voltage

áp, ổn định quá độ của hệ thống bao gồm máy phát gió là một vấn đề cấp thiết Nhiều nghiên cứu về công nghệ tua bin gió đã được trình bày Hầu hết các nghiên cứu đó tập trung vào chi tiết máy điện hơn là phân tích ảnh hưởng và ứng dụng của

nó trong hệ thống điện Trong một số trường hợp, có thể thấy rằng mô hình cung cấp là quá đơn giản, hoặc phức tạp hoặc là quá chi tiết với khía cạnh trong nghiên cứu hệ thống điện Do đó, việc sử dụng mô hình tua bin gió phù hợp trong nghiên cứu hệ thống điện là vấn đề cần xem xét

Cùng sự phát triển của khoa học công nghệ, nguồn phân tán (Distributed Generator – DG) ngày càng trở nên phổ biến hơn bởi những ưu thế của nó trên hệ thống điện Một khía cạnh quan trọng của hệ thống điện là sự ổn định hệ thống, trong khi năng lượng gió ngày nay đang được ưu tiên lựa chọn, phù hợp với yêu cầu kinh tế kỹ

2

thuật Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá ổn định của hệ thống điện với sự tham gia của máy phát điện gió ngày càng trở nên quan trọng hơn

Trên cơ sở những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây đã đạt được, đề

tài đề xuất tên “Xác định vị trí và dung lượng của máy phát điện gió để cải thiện ổn định hệ thống điện” với mục đích khảo sát ảnh hưởng của vị trí và dung lượng máy

phát DG gió, cùng với ảnh hưởng của vị trí sự cố đển ổn định hệ thống điện

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Phân tích ổn định điện điện áp và ổn định quá độ của hệ thống điện khi có và không có máy phát gió khi xảy ra sự cố thoáng qua tại các vị trí khác nhau

 Xác định vị trí và dung lượng phù hợp của máy phát gió để duy trì và cải thiện

ổn định của hệ thống khi xảy ra sự cố thoáng qua

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu

 Nghiên cứu mô phỏng trên lưới điện chuẩn IEEE 9 nút và IEEE 14 nút

- Phạm vi nghiên cứu

 Phân tích ổn định hệ thống điện

 Sử dụng mô hình máy phát gió DFIG trong phần mềm Matlab/PSAT/Simulink

 Sử dụng phương pháp thử sai để xác định vị trí của máy phát gió

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu các tài liệu công trình nghiên cứu trước

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ổn định và máy phát điện gió DFIG

 Phân tích và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Psat/Simulink

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Ứng dụng cho lưới điện bất kỳ

 Ứng dụng cho các lưới điện IEEE mẫu

 Làm tài liệu tham khảo cho môn giải tích hệ thống điện

Với nền công nghiệp liên tục phát triển, đặc biệt là các phát minh, tiến bộ trong khoa học công nghệ, độ phức tạp của hệ thống điện đã tăng đáng kể so với hệ thống ban đầu hình thành từ một thế kỷ trước đó Các thiết bị mới, các bộ điều khiển đáp ứng nhanh, bao gồm các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió ngày càng được phổ biến trong hệ thống điện ngày nay Sự phức tạp cùng với việc các hệ thống dần được mở rộng ra nhiều khu vực địa lý rộng lớn đã dẫn đến tiềm ẩn các sự

cố ngày càng lớn, và không ít trong số đó có thể gây hậu quả nghiêm trọng về an ninh hệ thống Hiện nay, do các yêu cầu về kinh tế, nguồn nhiên liệu và bảo vệ môi trường, năng lượng điện thường được sản xuất cách xa trung tâm phụ tải, sau đó truyền tải đến người dùng thông qua mạng lưới hệ thống truyền tải và phân phối phức tạp Điều này dẫn đến nguy cơ gây ra các dao động, mất ổn định liên khu vực

và sụp đổ hệ thống theo cấp điện áp

Ngoài ra, trong quy hoạch và vận hành hệ thống điện ngày nay, các ch tiêu kinh tế cũng phải được xem xét bên cạnh các yêu cầu về kỹ thuật (một trường hợp ví dụ đơn giản là khuynh hướng huy động công suất từ các nguồn điện có suất chi phí phát điện thấp, thường là những nhà máy thủy điện ở rất xa trung tâm phụ tải) dẫn đến hệ quả là hệ thống điện hiện nay ngày càng hoạt động gần với giới hạn ổn định của nó

Ổn định hệ thống có thể được định nghĩa chung là khả năng của một hệ thống vẫn trong trạng thái vận hành cân bằng theo điều kiện vận hành bình thường và trở lại

4

một trạng thái cân bằng có thể chấp nhận được sau khi bị nhiễu loạn Sự bất ổn định

trong một hệ thống điện có thể được biểu hiện bằng nhiều dạng khác nhau tùy thuộc

vào cấu hình hệ thống và chế độ hoạt động Thông thường, vấn đề ổn định là đảm

bảo duy trì tất cả các máy đồng bộ được đồng bộ Khía cạnh này của sự ổn định là ảnh hưởng bởi góc rotor máy phát điện Sự ổn định trong hệ thống điện có thể được

chia thành các loại như sau [1]

1.1.1 Ổn định tĩnh

Các tác động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, Các tác động này tác dụng lên roto của máy phát, làm mất sự cân bằng công suất của trạng ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị tác động Trạng thái xác lập muốn duy trì được thì phải chịu được các tác động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các tác động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các tác 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 trạng thái xác lập tồn tại trong thực tế

1.1.2 Ổn định động

Các tác động lớn xảy ra ít hơn so với các tác động nhỏ, nhưng có biên độ khá lớn Các tác 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 tác động lớn xảy ra làm cho công suất cân bằng Cơ Điện trong hệ thống bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động rất mạnh Khả năng của hệ thống điện chịu được các tác động này mà sau đó chế độ xác lập không bị mất đi gọi là khả năng ổn định động của hệ thống Như vậy ổn định động là điều kiện để trạng thái của hệ thống điện tồn tại lâu dài

1.1.3 Ổn định với sự cố thoáng qua

Hiện tượng thoáng qua điện-cơ của một hệ thống điện do một sự cố lớn có thể phát triển thành hai trường hợp khác nhau Trong trường hợp một, góc rotor giữa các máy phát vẫn cân bằng, hệ thống vẫn hoạt động đồng bộ nhưng dần chuyển sang một trạng thái hoạt động ổn định khác Ta gọi hệ thống điện hoạt động ổn định trong sự cố thoáng qua Trường hợp hai, chuyển động giữa các máy phát thay đổi

5

trong quá trình quá độ điện – cơ, và kết quả là góc giữa các máy phát mất cân bằng dẫn đến mất đồng bộ hệ thống Hệ thống như vậy gọi là không ổn định đối với sự cố thoáng qua

Khi một máy phát điện mất đồng bộ với các máy còn lại của hệ thống, vận tốc góc của nó sẽ cao hơn hay thấp hơn những điều kiện cần thiết để duy trì ổn định điện áp

và ổn định tần số Chuyển động trượt giữa từ trường xoay của stator (liên quan đến tần số hệ thống) và từ trường của rotor tạo nên điện áp và dòng điện đầu ra dao động với biên độ rất cao, kết quả xấu nhất sẽ là tan dã hệ thống Điều kiện quan trọng để hệ thống duy trì hoạt động ổn định chính là hoạt động đồng bộ của tất cả các máy phát Do đó phân tích ổn định động của hệ thống sau một sự cố lớn là phân tích khả năng của các máy phát giữ được hoạt động đồng bộ sau một sự cố lớn đó, điều này được gọi là phân tích ổn định động thoáng qua của hệ thống

Dao động tần số của hệ thống điện phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống, chẳng hạn như tải, máy phát, đường dây truyền tải Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của nhiễu động trên hệ thống còn bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: vị trí của lỗi, các

loại máy điện [2]

Trong các máy điện đồng bộ, từ trường của rotor và từ thông stator luôn ở cùng tốc

độ ở hệ quy chiếu thông thường Sự cố định giữa chúng là góc quay δ của máy khi khởi động, góc này đóng vai trò điều ch nh trao đổi năng lượng thông qua khe hở không khí giữa stator và rotor Khi rotor và từ trường stator nằm cùng chiều với nhau và năng lượng được trao đổi tối đa trong máy phát điện đồng bộ có góc giữa stator và rotor là 900, giá trị này goi là giá trị tới hạn ổn định của máy điện đồng bộ Một máy điện cảm ứng (máy điện không đồng bộ) không dùng cuộn dây để tạo ra

từ trường trong khe hở không khí Vì vậy máy điện cảm ứng không thể làm việc mà không có nguồn điện từ bên ngoài Có hai cách để cung cấp nguồn điện từ bên ngoài cho máy điện cảm ứng Một là sử dụng máy điện cảm ứng liên kết lưới, đối với loại này, máy điện cảm ứng được liên kết với nguồn điện, hấp thụ công suất phản kháng bằng cách sử dụng mạch từ Máy điện cảm ứng có thể chuyển năng

6

lượng cơ từ trục thành năng lượng điện đưa vào lưới Ngay cả khi không tạo ra điện, máy điện cảm ứng vẫn tiêu thụ một lượng đáng kể công suất phản kháng Năng lượng phản kháng tiêu thụ tỷ lệ với năng lượng thực tạo ra Do đó, một tụ điện cần được sử dụng để cung cấp năng lượng phản kháng cho máy phát Dạng máy điện cảm ứng còn lại được gọi là dạng độc lập, trong đó sử dụng một tụ mắc shunt làm

nguồn công suất phản kháng để từ hóa những mạch máy [3] Một yếu tố nữa tham

gia vào đánh giá sự ổn định tạm thời của hệ thống là thời gian đóng cắt quan trọng (Critical Clearing Time-CCT) CCT được định nghĩa là thời gian tối đa của sự cố thoáng qua mà hệ thống có thể duy trì vận hành ổn định Về mặt toán học thì CCT

là một hàm phức tạp với các biến đầu vào là những điều kiện trước sự cố (điểm hoạt động, mô hình, thông số hệ thống), cấu trúc sự cố (loại sự cố và vị trí xảy ra sự cố)

và những trạng thái sau sự cố còn phụ thuộc vào hệ thống rơle mà nó sử dụng Do

đó việc phân tích và xác định các đại lượng này là rất quan trọng Tuy nhiên sự đa dạng của các biến có liên quan trong quá trình thực hiện phân tích là phức tạp Trong thực tiễn, CCT có thể tính toán được bằng hai cách phổ biến: Bằng phương pháp thử và sai của hệ thống sau một nhiễu loạn lớn và kiểm tra hành vi của hệ thống sau những lỗi được xác định trước Phương pháp tính toán đầu tiên thì việc chính xác hóa mô tả hành vi quá độ của hệ thống là quan trọng và số lần thực hiện tính toán rất nhiều Phương pháp tiếp cận thứ hai đòi hỏi những yêu cầu cao hơn trong giải thuật và những phân tích đầu vào, số lần thực hiện tính toán giảm đi nhưng độ chính xác của kết quả vẫn chưa cao và ngày càng được nâng cao chất lượng trong những nghiên cứu gần đây Ổn định thoáng qua chủ yếu tác động tức

thời của một lỗi đường dây truyền tải hay máy phát đồng bộ [4]

Trong ổn định động góc, hay ổn định thoáng qua, ổn định hệ thống liên quan đến hành vi của hệ thống khi bị sự cố, chẳng hạn như là sự cố đường dây truyền tải, đó

là lý do tại sao ta gọi đây là ổn định động góc với nhiễu động lớn Khung thời gian

sự cố chính là đối tượng nghiên cứu ổn định của hệ thống và thông thường từ 3-5 giây phụ thuộc vào sự cố Th nh thoảng, giá trị này còn có thể lên đến 20s với hệ thổng rất lớn

7

Trong phân tích ổn định hệ thống điện, các mô hình toán học của hệ thống không

ch liên hệ trực tiếp đến kết quả phân tích mà còn có một tác động đáng kể lên độ phức tạp của việc phân tích Vì vậy, nếu mô hình toán học phù hợp với từng thành phần hệ thống thì phân tích càng trở nên đơn giản và chính xác Đây chính là bước

quan trọng trong phân tích ổn định hệ thống điện

1.1.4 Ổn định điện áp

Ổn định điện áp của hệ thống là khả năng của hệ thống duy trì đầy đủ biên độ điện

áp để khi tải tăng lên thì công suất thực sự truyền tải sẽ tăng lên Các yếu tố chính gây ra sự mất ổn định điện áp là thiếu nguồn cung cấp công suất phản kháng trong

hệ thống

Ổn định điện áp có thể được phân thành hai loại: ổn định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động Trong ổn định động, các nghiên cứu bao gồm các ảnh hưởng động của các thiết bị như máy biến áp phân áp, động cơ điện cảm ứng, tải Trong khi nghiên cứu xem xét sự biến đổi tĩnh tải là một quá trình chậm hơn trong thời gian dài Hầu hết các vấn đề tìm thấy trong hệ thống liên quan đến sụp đổ điện áp là ở trạng thái tĩnh Nghiên cứu ở trạng thái tĩnh thì thích hợp trong các nghiên cứu trong

8

điện kháng quá độ Xd d’ hoặc điện kháng đồng bộ trạng thái ổn định Xd d Do đó sơ

đồ một sợi ở trên có thể đƣợc vẽ bằng biểu đồ điện kháng nhƣ trong hình 1.2

Hình 1.4 Biểu đồ công suất góc Công suất đạt tối đa khi sin δ=1tương đương δ=900

10

Pmax = là giới hạn ổn định tĩnh

Khi độ dốc là dương (-90° δ 90°), điều đó có nghĩa là sự gia tăng góc lệch dẫn đến tăng công suất phát và do đó hệ thống sẽ ổn định Nếu là âm, nó ch ra rằng hệ thống không ổn định

1.3 Phương trình dao động

Các đặc tính của một máy điện đồng bộ trong thời gian quá độ được mô tả theo phương trình dao động Chúng ta biết rằng mômen tác dụng lên một vật thể quay được cho bởi moment quán tính J (kg.m2) và gia tốc góc αα (rad / s2), tức là:

Từ phương trình: = -

Và J. = J

Ta có phương trình : - = J.

(1.12) Nhân hai vế với vận tóc góc ta có:

12

Chúng cho thấy xu hướng δ dao động tăng vượt quá và quay trở lại Nếu δ tăng liên tục theo thời gian, hệ thống không ổn định Trong khi δ bắt đầu giảm sau khi đạt đến giá trị lớn nhất, thì hệ thống sẽ vẫn ổn định

Hình 1.5 Đồ thị dao động

13

Máy phát điện và bộ biến đổi công suất là thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng gió Một số loại máy phát điện thường được sử dụng trong hệ thống tuabin gió trước đây: máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc, rotor dây quấn, máy phát điện không đồng bộ với bộ kích từ… Các loại máy phát điện này phù hợp cho giải pháp kết nối trực tiếp với lưới điện và làm việc với tốc độ không đổi Với sự phát triển không ngừng của kĩ thuật điều khiển, các loại máy phát sử dụng trong hệ

thống năng lượng gió hiện đại ngày càng đa dạng hơn [5]

2.1 Các loại máy phát trong hệ thống năng lượng gió

2.1.1 Máy phát điện đồng bộ

Như chúng ta đã biết, tốc độ quay của máy phát điện đồng bộ được xác định số cực

từ và tần số của lưới điện Vì vậy, các cánh quạt tuabin và máy phát phải được nối với nhau thông qua hộp truyền động cơ khí để có thể quay với tốc độ đồng bộ Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ có ưu điểm: khi kết nối với lưới điện, hệ thống này không yêu cầu cung cấp công suất phản kháng Vì vậy chất lượng điện năng phát ra tốt hơn Tuy nhiên đối với máy phát đồng bộ, cần phải cung cấp điện một chiều cho mạch kích từ Việc cung cấp dòng điện một chiều này sinh

ra hai vấn đề bất lợi cho hệ thống:

Cần phải trang bị bộ biến đổi AC/DC để lấy dòng điện xoay chiều từ lưới điện đưa qua mạch ch nh lưu cung cấp dòng điện một chiều cho mạch kích từ

Sử dụng vành trượt trên rotor của máy phát để có thể đưa dòng điện một chiều từ mạch kích từ vào rotor, do đó công việc bảo dưỡng rất phức tạp

Do máy phát điện làm việc với tốc độ đồng bộ, dẫn đến không phù hợp cho hệ thống năng lượng gió

14

2.1.2 Máy phát điện cảm ứng

Hầu hết các máy phát điện được dùng trong hệ thống tuabin gió là máy phát cảm ứng Có hai ứng dụng của máy điện cảm ứng trong hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện trong hệ thống tuabin gió, hoặc các động cơ bơm hay máy nén Máy điện cảm ứng nhận công suất phản kháng từ lưới điện Trong các hệ thống kết hợp nhiều dạng năng lượng khác nhau, công suất phản kháng được cung cấp từ các máy phát đồng bộ hay máy phát Diesel Trong hệ thống năng lượng gió, tụ điện cố định được dùng để bù công suất phản kháng cho máy phát điện cảm ứng Trái ngược với máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng không quay với tốc độ cố định, vì vậy chúng thường được mô tả như máy phát không đồng bộ Máy phát cảm ứng có thể làm việc như một động cơ hay một máy phát, tùy thuộc vào trục máy phát hay nhận năng lượng Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một động cơ trong quá trình khởi động và như máy phát khi nhận được tốc độ gió định mức Khi làm việc như một động cơ, rotor sẽ quay khá chậm so với tốc độ đồng bộ của từ trường, và động cơ cảm ứng sẽ nhận năng lượng để làm quay trục rotor Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một máy phát khi stator của chúng được nối với một nguồn điện áp có tần số ổn định, và rotor được quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ bằng động cơ sơ cấp Vì vậy, độ trượt của máy phát có giá trị âm Chế độ làm việc như máy phát của máy điện cảm ứng được ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió với stator được nối với lưới điện và rotor được quay bởi tuabin gió Ưu điểm của máy phát cảm ứng là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên Có hai loại máy phát điện cảm ứng: rotor lồng sóc và rotor dây quấn Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn thực hiện điều khiển đơn giản hơn máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

Tốc độ rotor và đặc tính cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở rotor [6]

2.1.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

Máy điện cảm ứng rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator – SCIG) là một máy điện rất phổ biến do có cấu trúc đơn giản Dây quấn stator được nối với phụ tải hay nguồn kích từ Rotor lồng sóc được cách điện và có điện trở lớn nhằm

15

tránh cho rotor bị rung động Đối với tình trạng lưới điện không ổn định, có thể gây

ra các sự cố quá nhiệt, moment dao động trên máy phát

2.1.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

Đối với máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, các bộ dây quấn rotor có thể được nối với vành trượt và chổi với phương pháp cổ điển, hoặc thông qua bộ biến đổi công suất Hệ thống năng lượng gió trang bị máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn cùng với các bộ biến đổi công suất, việc điều khiển ngõ ra dễ hơn hệ thống dùng máy phát cảm ứng rotor lồng sóc Công suất phần ứng trên stator được điều khiển bởi lưới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi công suất Tuy nhiên, chi phí máy phát cảm ứng rotor dây quấn cao hơn máy phát rotor lồng sóc

2.1.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG

Đối với hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi trong một khoảng giá trị giới hạn (± 30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi được xem là giải pháp tốt nhất hiện nay Bộ biến đổi điện tử công suất

ch điều ch nh 20÷ 30% tổng công suất, do đó tổn hao và chi phí của các bộ biến đổi công suất có thể giảm Cấu trúc máy phát điện DFIG tương tự máy phát điện cảm ứng dây quấn Mạch stator của máy phát DFIG được nối trực tiếp với lưới trong khi mạch rotor được nối với bộ biến đổi công suất thông qua các vành trượt (Hình 2.1)

Hình 2.1 Máy phát không đồng bộ nguồn đôi DFIG Máy phát điện gió nguồn đôi DFIG là máy phát điện mà cực stator và rotor có thể phát công suất Khi máy điện làm việc như máy phát, hướng công suất trong máy thể hiện như hình 2.2, ở đó công suất vào là công suất cơ nhận từ tuabin gió Công suất truyền đến lưới là tổng công suất stator Ps và rotor Pr

16

a) Dưới tốc độ đồng bộ (ω0) b) Trên tốc độ đồng bộ (ω0) Hình 2.2 Hướng công suất của DFIG Máy phát có thể vận hành dưới tốc độ đồng bộ: Pr< 0, Ps> 0 hoặc vận hành trên tốc

độ đồng bộ: Pr > 0, Ps > 0

Máy phát không đồng bộ nguồn đôi có thể làm việc với tốc độ rotor cao hơn hoặc thấp hơn tốc độ đồng bộ tương ứng với tần số lưới điện Do đó, có thể điều ch nh lượng công suất phản kháng cần cung cấp cho máy phát Đối với hệ thống tuabin gió dùng máy phát điện không đồng bộ, bộ biến đổi công suất ch có thể đưa công suất từ rotor đến lưới điện trong khi đó với hệ thống sử dụng máy phát không đồng

bộ nguồn đôi, bộ biến đổi công suất có thể truyền tải công suất theo hai chiều từ rotor đến lưới điện và từ lưới điện vào rotor Bộ biến đổi công suất ch điều ch nh

(20-30%) tổng công suất của hệ thống [7]

2.1.5.1 Nguyên lý làm việc của DFIG

Công suất cơ và công suất stator:

Với các đại lượng như sau:

Pm: công suất cơ

Ps:công suất tác dụng stator

Pr: công suất tác dụng rotor

Pgc: công suất bộ chuyển đổi phía lưới

Qs: công suất phản kháng stator

Qr: công suất phản kháng rotor

Qgc: công suất phản kháng phía lưới

Tm: momen xoắn cơ cánh quạt

Tem: momen xoắn điện rotor của máy phát

ωr: tốc độ quay cánh quạt

ωs: tốc độ quay từ thông, tốc độ đồng bộ

J: hệ số quán tinh

18

2.1.5.2 Lưu lượng công suất của DFIG

Lưu lượng công suất của DFIG được thể hiện như Hình 2.3 Vì S rất nhỏ, do đó Pr

ch là 1 phần nhỏ của Ps Pr dương khi S âm (tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ) và Pr

âm khi S dương (tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ) Đối với hoạt động trên tốc độ đồng bộ, Pr được chuyển đến bus DC và có xu hướng làm tăng điện áp DC, đối với hoạt động dưới tốc độ đồng bộ Pr được lấy ra khỏi bus DC và có xu hướng làm giảm điện áp DC Bộ biến đổi phía lưới điện được sử dụng để phát hay hấp thu công suất Pgc để giữ cho điện áp DC không đổi Trong trạng thái ổn định cho AC/DC/AC chuyển đổi 1 ít Pgc bằng Pr và tốc độ của tuabin gió được xác định bởi Pr hấp thu hoặc phát ra của bộ biến đổi phía rotor Điện áp AC tạo ra bởi bộ biến đổi phía rotor

là dương với tốc độ dưới đồng bộ và âm khi ở tốc độ trên đồng bộ, tần số của điện

áp này là tích của tần số lưới điện và trị tuyệt đối của S

Hình 2.3 Lưu lượng công suất DFIG

2.2 Các hệ thống tuabin gió

2.2.1 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi

Cấu trúc của mô hình hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi được thể hiện như Hình 2.4 Cấu hình này đơn giản, chủ yếu sử dụng cho hệ thống tuabin gió

có công suất nhỏ hay trung bình Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi dùng máy phát cảm ứng nối trực tiếp với lưới điện, tốc độ rotor được xác định số đôi cực của máy phát hoặc hộp số truyền động Cấu hình hệ thống tuabin gió này thường có hai cấp tốc độ cố định, được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát

19

điện có công suất định mức và số đôi cực khác nhau hoặc có thể sử dụng một máy phát với hai bộ dây quấn với công suất định mức và số đôi cực khác nhau Với cách này có thể làm tăng năng lượng nhận được từ gió và làm giảm tổn thất từ hóa khi

tốc độ gió giảm thấp [11]

Hình 2.4 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi

Máy phát không đồng bộ trong hệ thống này không cần hòa đồng bộ với lưới điện như đối với máy phát đồng bộ Tuy nhiên, đối với các máy phát có công suất lớn có thể gây ra dòng điện khởi động cao làm ảnh hưởng trên lưới điện chính Mạch điều khiển moment khởi động có thể được dùng để hạn chế dòng điện khởi động Khi tốc

độ gió tăng cao, rotor của máy phát có thể được điều ch nh bằng phương pháp Stall

để hạn chế công suất phát ra, hoặc có thể dùng phương pháp điều khiển độ trượt Máy phát gió không đồng bộ cho phép thay đổi tốc độ 10%, có thể tăng độ trượt để tăng công suất Tuy nhiên, nếu độ trượt tăng cao thì công suất tổn thất lớn và hiệu suất thấp Vì vậy, các hệ thống hiện đại sử dụng máy phát không đồng bộ với độ trượt thay đổi

Nếu tốc độ rotor gần như không thay đổi, máy phát điện gió không thể đạt được công suất tối ưu khi tốc độ gió thay đổi Nhược điểm chính của máy phát không đồng bộ là tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện hoặc từ các trạm bù được lắp

20

đặt thêm Đối với các hệ thống hiện đại sử dụng bộ biến đổi công suất để bù thành phần phản kháng tốt hơn

2.2.2 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi

Cấu trúc của mô hình hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi được thể hiện như Hình 2.5 Cấu hình của hệ thống này được trang bị thêm một số khối chức năng điều khiển do sử dụng loại máy phát khác và có sự khác biệt trong khối điều khiển điện áp Do đó, công suất phản kháng phát ra hay được tiêu thụ bởi hệ thống không bị ảnh hưởng bởi máy phát điện Hệ thống được trang bị máy phát điện đồng

bộ hoặc máy phát cảm ứng rotor lồng sóc Hộp số truyền động được thiết kế sao cho tốc độ tối đa của rotor sẽ bằng với tốc độ định mức của máy phát Đối với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu, sẽ được thiết kế với nhiều cực từ để hệ thống không

cần dùng hộp số truyền động

Hình 2.5 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi Máy phát điện được nối lưới thông qua DC – link hoặc bộ biến đổi tần số, vì vậy hệ thống có thể làm việc với máy phát có tần số không phụ thuộc vào tần số lưới điện

Bộ biến đổi công suất dùng trong cấu hình này sẽ điều khiển toàn bộ công suất của

hệ thống Ưu điểm của cấu hình này là có thể linh hoạt điều khiển hệ thống Sự thay đổi tần số máy phát khác với sự thay đổi tốc độ rotor Ta có thể thay đổi tốc độ rotor trong một phạm-vi rộng để hệ thống làm việc ở tốc độ tối ưu sao cho công suất phát

ra cực đại khi tốc độ gió thay đổi Khi tốc độ gió tăng cao, công suất phát ra cần được giới hạn để bảo vệ hệ thống và được thực hiện bằng hai giải pháp: giải pháp thứ nhất là dùng bộ biến đổi công suất để giữ cố định tần số và do đó tốc độ cũng không đổi; giải pháp thứ hai là dùng một bộ biến đổi để giới hạn công suất khi tốc

21

độ gió tăng cao Không có giải pháp nào có thể tránh hoàn toàn rủi ro quá tốc độ trên rotor khi tốc độ gió tăng cao, do đó mỗi hệ thống cơ học cần được lắp đặt bộ biến đổi hỗ trợ cho việc giới hạn công suất (hệ thống điều khiển góc xoay cánh quạt – pitch control)

2.3 Mô hình turbine gió

Có rất nhiều loại khác nhau của tua-bin gió được sử dụng trên toàn thế giới, mỗi loại đều có những đặc điểm riêng về ưu điểm cũng như hạn chế Do đó, việc sử dụng mô hình tua bin gió phù hợp trong nghiên cứu hệ thống điện là vấn đề cần xem xét Luận văn này, áp dụng mô hình máy phát gió DFIG được xây dựng trên phần mềm PSAT/MATLAB Trong loại này, bộ điều khiển góc Pitch điều ch nh góc của cánh quạt gió theo sự thay đổi của tốc độ gió.Vì thế mà năng lượng đầu ra của loại này phụ thuộc đặc tính của bộ điều khiển Pitch, của tuabin và máy phát Giống như những máy phát thông thường, stator được nối với lưới điện, tuy nhiên DFIG có thể cấp năng lượng hoặc tiêu thụ năng lượng phía bên rotor vì vậy chúng

(2.9)

Trong đó Pt: công suất chuyển đổi

Ploss: công suất tổn hao

Pmag: công suất điện từ

Ids, Iqs: dòng điện stator chiếu lên hệ trục d-q

Idr, Iqr: dòng điện rotor chiếu lên hệ trục d-q

ψds, ψqs: từ thông stator chiếu lên hệ trục d-q

ψdr, ψqr: từ thông rotor chiếu lên hệ trục d-q

Vds, Vqs : điện áp stator chiếu lên hệ trục d-q

Vdr,Vqr: điện áp stator chiếu lên hệ trục d-q

Rr, Rs: điện trở rotor và điện trở stator