Nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù ngang SVC nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện có máy phát điện gió

Để nâng cao độ ổn định của hệ thống có dao động cộng hưởng cũng như sự ảnh hưởng của các máy phát điện cảm ứng, SVC được sử dụng kết hợp với bộ điều chỉnh điện áp được nối ở đầu cực của

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ NGANG SVC ÐỂ NÂNG CAO ỔN ÐỊNH ÐIỆN ÁP TRONG

MÃ SỐ:T2015-32TÐ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 02/2016

S 0 9

S KC 0 0 5 3 4 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ NGANG SVC ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

Mã số: T2015-32TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS Trương Đình Nhơn

Thành viên đề tài: TS Ngô Văn Thuyên

TS Nguyễn Thị Mi Sa

TS Lê Mỹ Hà

TP HCM, 02/2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ NGANG SVC ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

Mã số: T2015-32TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS Trương Đình Nhơn

TP HCM, 02/2016

Mục lục

Chương 0: Mở đầu Error! Bookmark not defined

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước

Error! Bookmark not defined

2 Tính cấp thiết Error! Bookmark not defined

3 Mục tiêu Error! Bookmark not defined

4 Cách tiếp cận Error! Bookmark not defined

5 Phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu Error! Bookmark not

Bookmark not defined

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho SVC Error! Bookmark not defined 3.1 Thiết kế PID bằng phương pháp gán điểm cực Error! Bookmark not defined 3.2 Tính toán thiết kế PID cho SVC Error! Bookmark not defined

Chương 4: Mô phỏng ảnh hưởng của bộ điều khiển SVC trong hệ thống điện Error!

Bookmark not defined

4.1 Giới thiệu về hệ thống điện sử dụng trong nghiên cứu Error! Bookmark not

defined

4.2 Kết quả mô phỏng hệ thống Error! Bookmark not defined Chương 5: Kết luận Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined

Danh mục bảng biểu

Bảng 3.1 Trị riêng của hệ thống Error! Bookmark not defined

Danh mục hình

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại ổn định của hệ thống điện 4

Hình 1.2 Đường cong QV sử dụng biến Q phụ tải thay đổi 8

Hình 1.3 Phân loại máy phát điện tuabin gió 10

Hình 1.4 Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc 10

Hình 1.5 Máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn 11

Hình 1.6 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép 12

Hình 1.7 Máy phát điện đồng bộ 12

Hình 1.8 Hệ thống máy phát đồng bộ - PMSG 13

Hình 1.9 Sơ đồ bộ chuyển đổi công suất với máy phát PMSG 13

Hình 1.10 Mô hình nguồn điện gió nối lưới và biểu đồ pha điện áp .15

Hình 1.11 Biểu đồ pha điện áp 17

Hình 1.12 Quan hệ giữa UT với công suất phát P và tỷ số X/R 18

Hình 1.13 Dao động vận tốc gió (a), côngsuất tác dụng (b), côngsuất phản kháng (c) và dao động điện áp (d) của máy phát điện gió .19

Hình 1.14 Máy phát điện gió hấp thụcông suất phản kháng từ lưới khităng công suất phát tác dụng 19

Hình 1.15 Đặc tính của nguồn điện gió phụ thuộc điện áp 21

Hình 1.16 Mô hình tĩnh của máy phát tuabin gió loại không đồng bộ .23

Hình 2.1 Cấu tạo của bộ thiết bị SVC 26

Hình 2.2 Đặc tính U-I của SVC 27

Hình 2.3: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp 28

Hình 2.4 Sơ đồ tương đương của SVC 29

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển của SVC 29

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống điện kết nối nguồn điện gió 30

Hình 2.7 Mô hình SVC kết nối lưới điện 30

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển SVC có bộ PID 33

Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống nghiên cứu 36

Hình 4.2 Đáp ứng của các thông số khi so sánh 2 trường hợp có và không có bộ điều khiển thiết kế PID 38

Danh mục các chữ viết tắt

3 LVRT Khả năng duy trì điện áp thấp

4 STATCOM Thiết bị bù ngang đồng bộ

5 SVC Thiết bị bù ngang

6 PID Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân

7 FACTS Thiết bị đường dây

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ NGANG SVC ĐỂ NÂNG

CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

- Mã số: T2015-32TĐ

- Chủ nhiệm: TS Trương Đình Nhơn

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

- Thời gian thực hiện:

2 Mục tiêu:

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị bù ngang SVC trong hệ thống điện có tích hợp hệ thống năng lượng gió nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống

3 Tính mới và sáng tạo:

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho SVC để nâng cao tính ổn định của hệ thống

4 Kết quả nghiên cứu:

Đánh giá mức độ đáp ứng của hệ thống khi có bộ PID thiết kế cho SVC

5 Sản phẩm:

Báo cáo tổng kết và Chương trình mô phỏng trên Matlab

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Làm cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo và là tài liệu tham khảo cho các học viên cao học trong môn học FACTS và làm đề tài tốt nghiệp

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Study of the Dynamic Stability Enhancement of Pmg-Based Wind Turbine Generator Fed to Power Grid Using an SVC

Code number: T2015-32TĐ

Coordinator: Truong Dinh Nhon, PhD

Implementing institution: University of Technology and Education Hochiminh City Duration: from to

2 Objective(s):

Study of designing PID damping controller for SVC to enhance the dynamic stability of the wind connected power system

3 Creativeness and innovativeness:

Design PID damping controller for the proposed SVC to improve stability of the power system with wind power connected

4 Research results:

Estimating the effective of the studied system with and without PID controller for SVC

5 Products:

Report and Matlab program

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

It can be used for master students to study FACTS course and references for their thesis

Chương 0: Mở đầu

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước

Thiết bị bù dọc SVC_Static Var Compensators đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp nhằm nâng cao ổn định của hệ thống điện trong những năm trước đây

do cấu tạo đơn giản của nó trong việc bù công suất phản kháng cho hệ thống Thiết bị SVC đã được sử dụng rất nhiều trong hệ thống điện để thay thế cho các tụ bù tĩnh Tuy nhiên trong hệ thống năng lượng gió thì mới được triển khai gần đây để nâng cao độ ổn định của hệ thống sử dụng kỹ thuật điều khiển hồi tiếp điện áp [1] Cấu trúc mới của SVC được thực hiện bằng cách bỏ đi các thành phần mạch nối tiếp sử dụng trong việc điều khiển mất cân bằng của hệ thống trong hệ thống điện đã được đề xuất trong [2] Ngoài ra, các tác giả trong [3] đã trình bày hệ thống kết hợp SVC được sử dụng để tăng khả năng kiều khiển công suất phản kháng của hệ thống điện gió nối lưới trong các điều kiện điện áp thấp Để nâng cao độ ổn định của hệ thống có dao động cộng hưởng cũng như sự ảnh hưởng của các máy phát điện cảm ứng, SVC được sử dụng kết hợp với bộ điều chỉnh điện áp được nối ở đầu cực của máy phát để cung cấp công suất phản kháng khi hệ thống xãy ra sự cố cũng được trình bày trong [4] Trong các yêu cầu về điều khiển nâng cao khả năng duy trì điện áp thấp (LVRT), SVC được sử dụng để cung cấp công quất phản kháng trong khi TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator) được điều khiển để duy trì giá trị điện áp [5] Trong các hệ thống lớn, khoảng cách truyền tải

xa thì SVC được đặt ở vị trí giữa của đường dây truyền tải để giảm dao động của hệ thống nhằm nâng cao độ ổn định [6, 7]

Ở Việt nam, việc nghiên cứu ứng dụng SVC trong hệ thống điện đã được triển khai

từ lâu Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu cũng chỉ dừng lại ở bước mô phỏng Như nghiên cứu nghiên cứu xây dựng chương trình mô phỏng sử dụng thiết

bị SVC và TCSC để điều khiển nâng cao ổn định hệ thống điện [8] SVC còn được điều khiển để giữ ổn định điện áp nút như được đề cập trong [9] Ngoài các chức năng trên thì SVC còn có tác dụng nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện [10] Tuy nhiên, với hệ thống có kết nối với năng lượng gió thì dao động của tốc độ gió sẽ ảnh hưởng đến lượng công suất cấp vào lưới Đặc biệt với những hệ thống phát điện gió có công suất lớn thì sẽ gây nên những dao động công suất trong hệ thống điện làm cho các

thiết bị bù cố định không thể điều khiển giữ được các thông số ổn định cho hệ thống Trong trường hợp này, việc sử dụng các thiết bị bù trên đường dây có khả năng điều khiển thay đổi công suất là cần thiết, trong đó SVC là thiết bị phù hợp về giá thành cũng như tính năng điều khiển mà nó mang lại

2 Tính cấp thiết

Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch và vô hạn Hiện nay có rất nhiều các dự án điện gió đang đầu tư và triển khai ở Việt nam nhằm bổ sung điện cho hệ thống điện Tuy nhiên, để tối ưu hiệu suất phát điện thì các hệ thống máy phát điện gió luôn vận hành phát tối ưu công suất tác dụng (P) Do đó, khi hệ thống bị sự cố hay các chế độ vận hành cần nhiều công suất phản kháng thì hệ thống không thể cung cấp đủ lượng công suất phản kháng (Q) làm cho độ ổn định của hệ thống giảm và có khả năng làm mất ổn định

hệ thống Vì vậy, để cung cấp kịp thời lượng công suất phản kháng nhằm nâng cao độ

dự trữ cho hệ thống điện, thiết bị bù ngang SVC được đề xuất nhằm cung cấp lượng công suất phản kháng nhanh cho hệ thống điện giúp nâng cao ổn định động cho hệ thống điện

3 Mục tiêu

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị bù ngang SVC trong hệ thống điện có tích hợp hệ thống năng lượng gió nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống

4 Cách tiếp cận

Dựa trên các công trình đã được công bố như sách chuyên ngành, bài báo khoa học

5 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các công trình công bố trên các tạp chí và hội thảo chuyên ngành uy tín, tác giả tiến hành xây dựng mô hình toán học cho hệ thống và kiểm chứng bằng kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là thiết bị bù ngang SVC và phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID cho SVC để giảm ảnh hưởng của điện gió đến hệ thống điện

Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế bộ điều khiển PID trong điều khiển thiết bị bù ngang SVC để nâng cao ổn định động trong hệ thống điện có kết nối với hệ thống năng lượng gió

Chương 1: Ổn định động của hệ thống có kết hợp với điện gió

1.1 Ổn định trong hệ thống điện

1.1.1 Khái niệm ổn định hệ thống điện

Ổn định của hệ thống điện là khả năng của hệ thống điện phục hồi lại trạng thái làm việc ban đầu hoặc rất gần ban đầu sau khi bị các kích động nhỏ hoặc kích động lớn Ổn định hệ thống điện được phân loại như hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại ổn định của hệ thống điện

Ổn định tĩnh là ổn định khi có kích động nhỏ, các kích động nhỏ xảy ra liên tục và

có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của các thiết bị điều chỉnh, các kích động này tác động

lên rotor của máy phát, làm phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động, chế độ xác lập muốn duy trì thì phải chịu được các kích động nhỏ này Như vậy, ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ

Ổn định động là ổn định khi có kích động lớn, các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng biên độ khá lớn Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch…các kích động lớn tác động làm cho cân bằng công suất cơ – điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động rất mạnh Như vậy, ổn định động là khả năng hệ thống điện khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn

Ổn định góc thực chất là vấn đề giữ vững chuyển động đồng bộ giữa rotor của các máy phát điện trong toàn hệ thống điện Mất ổn định góc là mất ổn định giữa các máy phát Sự động bộ giữa các rotor được thể hiện qua góc tương đối giữa các vector điện

áp, do đó gọi là ổn định góc Khi các góc này tăng lên có nghĩa là các rotor bắt đầu có chuyển động trái chiều, cái thì quay nhanh hơn, cái thì chậm lại Khi góc giữa các vector điện áp vượt qua giá trị giới hạn, hệ thống điện mất ổn định, trạng thái đồng bộ không thể tự phục hồi lại, công suất, điện áp, dòng điện biến thiên hỗn loạn, các bảo vệ rơle của các máy phát điện sẽ cắt các máy phát ra khỏi lưới điện dẫn đến sụp đỗ hệ thống Ổn định góc là quá trình quá độ cơ điện, xảy ra rất nhanh, do đó ổn định này là ngắn hạn

Ổn định điện áp là quá trình biến thiên điện áp tại các nút Khi xảy ra kích động nhỏ làm mất cân bằng điện áp, phản ứng lập tức xảy ra ở máy phát, các thiết bị điều chỉnh điện áp và phụ tải Các phản ứng này có thể đưa điện áp trở lại trạng thái ban đầu, cũng có thể không, điện áp tiếp tục biến thiên, khi trị số điện áp vượt quá giá trị cho phép thì các thiết bị bảo vệ sẽ hoạt động cắt đường dây, máy biến áp… gây mất điện cục

bộ, có thể tác động dẫn đến mất điện cả khu vực Như vậy, ổn định điện áp dễ xảy ra khi lưới điện bị sự cố, khi đó mức điện áp chung giảm thấp, khả năng điều chỉnh điện áp suy yếu

Ổn định tần số xảy ra khi tần số của hệ thống điện xuống thấp hoặc tăng cao, các thiết bị tự động điều chỉnh tần số hoạt động nhằm khôi phục lại tần số ban đầu, nếu khôi

phụ không thành công thì phải sa thải bớt phụ tải và nếu vẫn không được thì hệ thống điện tan rã

1.1.2 Các chỉ tiêu ổn định điện áp

Để đánh giá mức độ ổn định điện áp nhằm đảm bảo chất lượng điện năng, chúng ta cần xác định các chỉ tiêu ổn định điện áp Có nhiều chỉ tiêu đánh giá ổn định điện áp hệ thống điện kết nối nguồn điện gió, những chỉ tiêu quan trọng được trình bày dưới đây:

1.1.2.1 Hệ số dự trữ điện áp

Chỉ tiêu để đánh giá mức độ ổn định điện áp của một nút là sự chênh lệch giữa điện

áp làm việc và điện áp giới hạn thấp nhất của hệ thống điện Chỉ tiêu này được mô tả bằng hệ số dự trữ điện áp δVmin% được tính như biểu thức:

min min

+ Vlv là điện áp nút ở chế độ làm việc bình thường

+ Vghmin là điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của hệ thống điện

Do Vghmin là điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của hệ thống điện nên hệ số dự trữ điện áp được dùng để đánh giá chuyên sâu cho mức độ kém ổn định điện áp Khi

δVmin% của một nút giảm thấp dưới ngưỡng qui định cho phép hoặc gần bằng không thì

có thể kết luận nút đó kém ổn định điện áp và sẽ bị mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp

Trong cùng một chế độ vận hành, những nút có giá trị δVmin% nhỏ nhất là những nút yếu về phương diện ổn định điện áp

Giá trị điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của hệ thống điện Vghmin tùy thuộc quy định hoặc tiêu chuẩn riêng của từng nước Theo tiêu chuẩn vận hành lưới điện kết nối nguồn điện gió của IEC là 2% [11]

1.1.2.2 Hệ số dự trữ công suất tác dụng của hệ thống

Hệ số dự trữ công suất tác dụng (CSTD) của hệ thống được tính toán phụ thuộc vào tổng CSTD phụ tải trong toàn hệ thống điện ở chế độ vận hành cơ sở và CSTD phụ tải cực đại toàn HTĐ tại điểm giới hạn ổn định điện áp của hệ thống theo phương pháp đường cong PV và được định nghĩa như sau:

+ PƩpt : Tổng CSTD phụ tải của HTĐ ở chế độ cơ sở

Chế độ cơ sở là chế độ vận hành của HTĐ tại thời điểm hiện đang khảo sát

Hệ số dự trữ CSTD của HTĐ KdtP% đặc trưng cho mức độ ổn định điện áp chung của toàn HTĐ Nếu KdtP% có giá trị lớn tương ứng với HTĐ có độ dự trữ CSTD cao, nếu KdtP% có giá trị nhỏ tương ứng với HTĐ có độ dự trữ CSTD thấp và nếu KdtP% ~ 0 thì HTĐ đang vận hành ở chế độ giới hạn CSTD

Đối với hệ thống điện Việt Nam, hiện tại chưa có qui định về độ dự trữ công suất tác dụng của hệ thống điện do nguồn điện phát triển chậm so với sự tăng trưởng của phụ tải nên phương thức vận hành của HTĐ Việt Nam hiện nay là độ dự trữ CSTD của hệ thống được yêu cầu lớn hơn công suất của một tổ phát lớn nhất

1.1.2.3 Độ dự trữ công suất phản kháng

Theo phương pháp phân tích đường cong QV, hiện tượng mất ổn định điện áp bắt đầu xảy ra tại thời điểm giới hạn vận hành của công suất phản kháng (CSPK) tại nút tải Như vậy mức độ ổn định điện áp và độ dự trữ CSPK của nút tải có liên quan mật thiết với nhau nên độ dự trữ CSPK được sử dụng để đánh giá giới hạn ổn định điện áp của nút tải

Hình 1.2 Đường cong QV sử dụng biến Q phụ tải thay đổi

Đối với phương pháp phân tích đường cong QV truyền thống sử dụng biến điện áp nút thay đổi Khi thay đổi Vnút theo kịch bản giảm dần đều từ điểm vận hành ban đầu thì lượng CSPK bù thêm vào nút tải QC sẽ tăng dần theo và tại điểm đáy của đường cong

QV (gọi là điểm sụp đổ điện áp) QC sẽ đạt giá trị cực đại ứng với giá trị Qgh ứng với giá trị Vgh Khoảng cách giá trị CSPK vuông góc từ điểm vận hành ban đầu (trục hoành) đến điểm giới hạn của đường cong QV ứng với Qgh được gọi là độ dự trữ CSPK (Qdt) của nút tải và được xác định: Q dt  Q gh

Trong phương pháp phân tích đường cong QV sử dụng biến Q thay đổi như hình 1.2 thì khi tăng dần Qpt theo kịch bản tăng đều CSPK Qpt tại nút kiểm tra từ điểm vận hành ban đầu thì Vnút sẽ giảm dần theo và tại thời điểm tới hạn (điểm sụp đổ điện áp) Qpt đạt giá trị cực đại tại Qmax tại điện áp Vgh Khoảng cách giá trị CSPK từ điểm vận hành ban đầu ứng với Q0 đến điểm giới hạn của đường cong QV ứng với Qmax được gọi là độ dự trữ CSPK (Qdt) của nút tải Như vậy độ dự trữ CSPK được định nghĩa như biểu thức:

Điểm tới hạn (hoặc điểm sụp đổ điện áp)

Giới hạn công suất phản kháng Q dt

Vnú

t

Vgh

Như vậy trong cả hai phương pháp, nếu độ dự trữ CSPK của một nút lớn thì biểu thị nút tải đó đạt được ổn định điện áp và nút tải nào có độ dự trữ CSPK càng lớn thì độ ổn định điện áp càng cao

1.1.2.4 Độ vọt lố điện áp

Khi Nhà máy điện gió kết nối lưới điện vận hành với tốc độ gió cao sẽ làm cho điện

áp tại điểm kết nối PCC tăng Để xác định mức độ mức độ quá áp ta tính toán độ vọt lố điện áp tại điểm kết nối PCC gần đúng theo công thức [12]

Trong đó: 𝛥u: độ vọt lố điện áp

Smax: Công suất biểu kiến tối đa 𝜙: góc lệch pha

U: điện áp lưới điện 1.2 Máy phát điện gió PMSG

1.2.1 Phân loại máy phát điện tuabin gió

Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện tuabin gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự phát triển các loại máy phát điện tuabin gió như hình 1.3

Hình 1.3 Phân loại máy phát điện tuabin gió

Thực tế có 04 loại máy phát điện tuabin gió được đã và đang được sử dụng chủ yếu [6] bao gồm:

 Máy phát điện tuabin gió loại tốc độ cố định (FSIG – Fixed Speed Induction Generator), (loại A) hình 1.4

Hình 1.4 Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc

Loại này thường được trang bị máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc rotor dây quấn được kết nối trực tiếp với lưới điện Điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới điện Máy phát không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1%-2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên vàhiệu suấtthấp hơn Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, tuy nhiên nó có 3 nhược điểm chính:

- Không thể điều khiển công suất tối ưu;

- Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột;

- do điện áp và tần số stator cố định theo tần số và điện áp của lưới nên không có khả năng điều khiển tích cực

 Máy phát điện tuabin gió loại tốc độ biến thiên trong phạm vi hẹp được trang bị loại

máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn (loại B) hình 1.5

Hình 1.5 Máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn

Rotor là loại dây quấn với cuộn dây được nối tắt thông qua các điện trở có thể điều chỉnh được, với các máy phát hiện nay thì việc điều chỉnh trị số điện trở này thường được thực hiện bằng các bộ điều khiển điện tử công suất

 Máy phát điện tuabin gió tốc độ biến đổi với bộ biến tần dải hẹp (loại C): hệ thống này được trang bị máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) hình 1.6

Hình 1.6 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

Hệ thống bao gồm tuabin gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor được nối thông qua một

bộ biến đổi công suất Do chỉ biến đổi một lượng 20% - 30% của toàn bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm đáng kể so với cấu hình biến đổi toàn bộ công suất phát Bộ biến đổi công suất còn cung cấp dòng kích từ cho máy phát tùy theo tốc độ quay Nếu tốc độ quay bằng tốc độ đồng bộ thì dòng kích từ thì dòng kích từ có tần số bằng 0 Nếu tốc độ quay thấp hơn tốc

độ đồng bộ thì dòng kích từ sẽ là dòng xoay chiều với tần số sao cho tốc độ quay nhân với tần số kích từ bằng tần số định mức 50Hz và ngược lại

 Máy phát điện với hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất (loại D), loại tuabin gió này được trang bị máy phát điện đồng

bộ hình 1.7

Hình 1.7 Máy phát điện đồng bộ

Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ hoặc máy phát động bộ Do phải biến đổi toàn bộ công suất phát nên tổn hao công suất lớn

và chi phí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên, hệ thống này không cần dùng hộp số Được trang bị bộ biến tần “back to back” hoặc bộ chỉnh lưu dùng

diot Do đó, tần số của máy phát có liên quan trực tiếp đến tốc độ của nó và cũng cần phải có dòng điện một chiều để kích thích từ trường rotor, loại này không phù hợp cho hệ thống máy phát mà tốc độ biến thiên phạm vi rộng

1.2.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Sơ đồ máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu- PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generators) thể hiện hình 1.8 bao gồm máy phát PMSG kết nối với bộ nghịch lưu và máy biến áp kết nối đến lưới

Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để tuabin gió vận hành tối ưu với vận tốc gió nhất định thì hệ thống rotor phải có chức năng tự điều chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió Máy phát PMSG đáp ứng yêu cầu này, vì từ thông luôn tồn tại sẵn nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt rotor Máy phát điện này hoạt động với tốc độ vòng quay thấp nhưng nguồn điện năng sản suất cao, đây là ưu điểm chính khi tuabin gió sử dụng máy phát PMSG Ngoài ra để điều khiển nối lưới, ta dùng 2 bộ nghịch lưu, nghịch lưu phía máy phát điện (VSC) dùng điều chỉnh hòa đồng bộ cho các máy phát điện cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết, giữ ổn định điện

áp một chiều DC Nghịch lưu phía lưới (VSI), thông qua bộ điều khiển sẽ biến đổi dòng một chiều DC thành dòng điện xoay chiều đưa đến máy biến áp

1.3 Ảnh hưởng của điện gió trong hệ thống điện

1.3.1 Ảnh hưởng chung

Công suất đặt của một máy phát điện gió thường không lớn, tùy theo tiềm năng của năng lượng gió của địa phương chúng có thể kết nối với lưới điện phân phối (nếu cụm công suất nhỏ) hoặc kết nối với lưới điện 110KV (nếu công suất lớn) Do công suất phát của tuabin gió phụ thuộc vào hệ số công suất Cp và các yếu tố bất định khác như mật độ không khí, tốc độ gió do đó các ảnh hưởng của máy phát điện gió đến hệ thống điện được phân thành 2 loại:

- Các ảnh hưởng mang tính cục bộ, bao gồm: làm thay đổi luồng công suất trên nhánh của các xuất tuyến phân phối; ảnh hưởng đến điện áp các nút trên xuất tuyến phân phối; ảnh hưởng đến phối hợp bảo vệ của các rơle quá dòng, đến dòng điện sự cố, thiết

bị chuyển mạch; ảnh hưởng đến chất lượng điện năng (dao động điện áp, chập chờn điện

áp, độ tin cậy )

- Các ảnh hưởng mang tính hệ thống: ảnh hưởng đến ổn định tĩnh và ổn định động; ảnh hưởng đến quá trình điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống điện, ảnh hưởng đến tần số (đối với nguồn điện gió có công suất rất lớn)

1.3.2 Ảnh hưởng của nguồn điện gió đến chất lượng điện năng

Mô hình tổng quát nghiên cứu ảnh hưởng của máy phát điện gió đến thông số mạng điện trung áp được trình bày hình 1.10

Hình 1.10 Mô hình nguồn điện gió nối lưới và biểu đồ pha điện áp

Trong đó UN là điện áp thanh cái hệ thống, UT là điện áp tại thanh cái chung kết nối nguồn điện gió PCC, ZK là tổng trở đường dây, XK và RK là điện kháng và điện trở của lưới điện, ψklà góc của tổng trở đường dây được xác định như sau:

k k

k

X arctg

1.3.2.1 Hiện tượng sóng hài

Dòng điện và điện áp hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống phân phối điện Bản thân các bộ biến tần trong hệ thống điện gió có chứa các phần tử phi tuyến là nguồn gốc gây ra sóng hài Tuy nhiên, dòng điện hài lớn hay nhỏ tùy thuộc vào cấu trúc của hệ truyền động và tải, nếu sử dụng động cơ lớn hay tăng tải động cơ đều làm tăng dòng điện hài Để giảm sóng hài các nhà sản xuất sử dụng các bộ biến tần phát sóng hài thấp hoặc dùng các phương pháp lọc ngoài Trong đó, để giảm dòng điện hài

thì phải tăng điện cảm AC, DC hoặc tăng số van chỉnh lưu trong bộ chỉnh lưu

Biểu thức xác định các sóng hài của tập hợp các máy phát điện gió tại PCC

Ở đây In là dòng điện hài bậc n, In,i là dòng điện hài bậc n của nguồn phát sinh hài thứ i, ni là tỉ số biến áp, α là hệ số được cho trong [12].

1.3.2.2 Hiện tượng chập chờn

Hiện tượng chập chờn các tuabin gió bắt nguồn từ 02 chế độ vận hành khác nhau: chế độ vận hành lâu dài và chế độ vận hành gián đoạn Chập chờn phát sinh từ chế độ lâu dài là do sự thay đổi công suất phát của tuabin gió khi vận tốc gió thay đổi Theo tiêu chuẩn IEC 6400-21 [13] hệ số chập chờn của tuabin gió được xác định bởi:

2 ,

1 3,2