(Luận văn thạc sĩ) nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC

Với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn công suất cao, các thiết bị Hệ ThốngTruyền Tải AC linh hoạt Flexible AC transmission systems FACTS có hiệu suấtcao trong việc cải thiện cả tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ LUONG THỊ CẨM TÚ

NÂNG CAO ỔN ÐỊNH HỆ THỐNG ÐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ HÒA LƯỚI SỬ DỤNG SSSC

NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN - 60520202

SKC005791

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 - 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍMINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ LƯƠNG THỊ CẨM TÚ

NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ HÒA LƯỚI SỬ DỤNG SSSC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp Hồ ChíMinh, tháng 10/2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍMINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ LƯƠNG THỊ CẨM TÚ

NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ HÒA LƯỚI SỬ DỤNG SSSC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THỊ MI SA

Tp Hồ ChíMinh, tháng 10/2018

%Ӝ*,È2'Ө&9¬ Ҥ27Ҥ2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHPHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SỸ

(Dành cho JiảnJ viên phản biện) Tên đề tài luận văn thạc sỹ: 1kQJFDRәQÿӏQKKӋWKӕQJÿLӋQFyWtFKKӧSQ

QJOѭӧQJJLyKzDOѭӟLVӱGөQJ SSSC

Tên tác Jiả: /ѬѪ1*7+ӎ&Ҭ07Ò

Ngành: WKXұWÿLӋQ

Định hướng: ӬQJGөQJ

Họ và tên nJười phản biện: 761JX\ӉQ1KkQ%әQ

Cơ quDn cônJ tác: KRD LӋQ LӋQWӱ

Điện thoại liên hệ: 0903871443

2.1 Nhận xét về tính khoa h c, rõ ràng, m ch l c, khúc chi t trong ọ ạ ạ ế luận

văn /XұQY QWKӇKLӋQWtQKU}UjQJWtQKNKRDKӑFNKLWUuQKEj\

2.2 Nhận xét đánh giá vi c s d ng ho c trích d n k t qu NC c a ng ệ ử ụ ặ ẫ ế ả ủ ườ i khác có đúng qui

2.6 Nh n xét đánh giá v ậ ề khả năng ứng dụng, giá tr th c ti n c ị ự ễ ủa đề

tài /XұQY QQrQFyÿiQKJLiNKҧQ

QJӭQJGөQJKӋWKӕQJÿLӋQ9LӋW1DP

2.7 Luận văn c n ch nh s a, b sung nh ng n i dung gì (thi ầ ỉ ử ổ ữ ộ ết sót và tồn tại):

%ә[XQJNKҧQ QJӭQJGөQJYjRKӋWKӕQJÿLӋQ9LӋW1DP

0{WҧFiFKJLҧLWURQJPLӅQWKӡLJLDQ[iFÿӏQKFiFWKDPVӕEӝ3,'FӫD666&"*LҧLWKtFKEҧQJ5.3 (trang

70)

26RViQKѭXYjNKX\ӃWÿLӇPEӝ666&YjFiFWKLӃWEӏ69&67$7&2083)&

%Ӝ*,È2'Ө&9¬ Ҥ27Ҥ2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHPHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SỸ

(Dành cho JiảnJ viên phản biện) Tên đề tài luận văn thạc sỹ: 1kQJFDRәQÿӏQKKӋWKӕQJÿLӋQFyWtFKKӧSQ

QJOѭӧQJJLyKzDOѭӟLVӱGөQJ SSSC

Định hướng: ӬQJGөQJ

Họ và tên nJười phản biện: 76'ѭѫQJ7KDQK/RQJ

Cơ quDn cônJ tác: ĈҥLKӑFF{QJQJKLӋS73+&0

Điện thoại liên hệ: 0908839735

I Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Về hình thức & kết cấu luận văn:

3KKӧS

2 Về nội dunJ:

2.1 Nhận xét về tính khoa h c, rõ ràng, m ch l c, khúc chi t trong ọ ạ ạ ế luận

văn /XұQY QWUuQKEj\U}UjQJPҥFKOҥF

2.2 Nhận xét đánh giá vi c s d ng ho c trích d n k t qu NC c a ng ệ ử ụ ặ ẫ ế ả ủ ườ i khác có đúng qui

(Các câu hỏi của giảng viên phản biện)

1*LҧLWKtFKU}EҧQJ5.3, trang 707K{QJVӕWURQJEҧQJQj\ÿѭӧF[iFÿӏQKWӯÿkX

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Lương Thị Cẩm Tú Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 08/07/1983 Nơi sinh: Tiền Giang

Quêquán: huyện Cái Bè, Tiền Giang Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 11B/17, Học Lạc, Phường 8, TP Mỹ Tho, Tiền Giang

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

MÔ HÌNH ĐÓNG MỞ CỬA TỰ ĐỘNG DÙNG WEBCAM

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 20/07/2005, Trường

Đại học Cửu Long

Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Luân

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Từ 11/2005

Đến 11/2006

Từ 12/2006

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi vàkhông sao chép cá công trình nghiên cứu của người khác để làm sản phẩm của riêng mình

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu của cá tác giả, cơ quan, tổ chức đã được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Đào tạo Sau Đại Học đã giúp đỡ tôi trongsuốt quá trình học và bảo vệ luận văn.

Sau cùng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn tạo điều kiện tốt nhấtcho tôi trong suốt quá trình học cũng như thực hiện luận văn này

Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều nên luậnvăn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến góp ý của Thầy, Cô và các AnhChị học viên

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

Học Viên

Lương Thị Cẩm Tú

iii

Kết quả mô phỏng trạng thái ổn định và kết quả mô phỏng miền thời gian chothấy hệ thống nghiên cứu không có SSSC thì chế độ cơ điện của SG ở trạng thái daođộng tần số thấp có độ giảm dao động thấp Tuy nhiên, sự giảm dao động được tănglên khi cóSSSC kết nối với đường truyền để điều khiển truyền tải điện Ngoài ra, cáckết quả thu được cũng cho thấy rằng SSSC có thiết kế PID có thể làm tăng đáng kể sựgiảm dao động và do đó làm cải thiện hiệu quả tính ổn định động của hệ thống nghiêncứu trong các điều kiện nhiễu khác nhau.

This thesis presents the dynamic stability improvement of a power system whichconsists of a conventional synchronous generator (SG)-based power plant integratedwith a doubly-fed induction generator (DFIG)-based wind farm by using a static syn-chronous series compensator (SSSC)

The complete dynamic mathematical equations of the studied system are lished in dq-axis reference frame under three-phase balanced conditions

estab-In addition to the power flow control function of the SSSC, a Proportional estab-IntegralDerivative (PID) type oscillation damping controller is designed for the SSSC to offeradequate damping for the studied system The proposed PID for the SSSC is designedusing the pole assignment method based on modalcontroltheory Both steady-stateanalysis of the studied system under time-domain simulations of the studied systemsubject to different disturbances are carried out

The steady-state analysis and time-domain simulation results show that the studiedsystem without SSSC suffers from low-damped low-frequency oscillations due to theelectromechanical mode of the SG The damping of these oscillations, however, isslightly increased when the SSSC is implemented in series with transmission line forcontrolling the power flow The results obtained also show that the designed PID forthe SSSC can significantly increase the damping and, hence, effectively improve thedynamic stability of the studied system under various disturbance conditions

v

MỤC LỤC

Trang tựa

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Abstact v

Mục lục vi

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt vii

Danh mục các bảng viii

Danh mục các hình ix

Chương 1 : TỔNG QUAN 1

1.1 Lýdo chọn đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.4 Đối tượng vàphạm vi nghiê cứu 4

1.5 Phương pháp nghiên cứu 5

1.6 Giới hạn của đề tài 5

1.7 Ý nghĩa khoa học vàthực tiễn của đề tài 5

1.8 Các nội dung nghiê cứu 5

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 6

2.1 Các khái niệm cơ bản 6

2.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ 6

2.1.2Khái niệm về ổn định HTĐ 8

2.1.3 Phân loại ổn định HTĐ 11

2.2 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh 12

2.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng 12

2.2.2 Phương pháp dao động bé 14

2.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động 15

Chương 3 : MÔ HÌNH TỤ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH SSSC 27

3.1 Điều khiển phân bố công suất 27

3.2 Bùcông suất trong đường dây truyền tải 29

3.2.1 Bùsong song 29

3.2.2 Bùnối tiếp 31

3.3 Tụ bùđồng bộ kiểu tĩnh và mô hình một pha của SSSC 32

3.3.1 Khái niệm về bù điện dung nối tiếp 32

3.3.2 Nguồn điện áp đồng bộ 35

3.3.3 Tụ bù đồng bộ tĩnh SSSC 37

3.3.4 Bộ chuyển đổi nguồn điện áp một pha 40

Chương 4 : MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU 45

4.1 Cấu hình hệ thống nghiê cứu 45

4.2 Môhình SG 46

4.2.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ 46

4.2.2 Môhình hệ thống kích từ 50

4.2.3 Môhình hệ thống tuabin gióDFIG 51

4.3 Môhình tua bin gió 54

4.3.1 Môhình động lực 54

4.3.2 Mô hình máy phát điện giónguồn kép (DFIG) 55

4.3.3 Môhình liên kết DC 58

4.3.4 Môhình bộ điều khiển 58

Chương 5 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GIẢM DAO ĐỘNG SSSC 65

5.1 Cấu hình bộ điều khiển giảm dao động PID của SSSC 65

5.2 Thiết kế PID cho SSSC bằng cách sử dụng phương pháp gán cực 66

vii

Chương 6 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ

DÙNG SSSC 72

6.1 Ngắn mạch ba pha tại điện áp lưới 73

6.2 Thay đổi tải 76

6.3 Thay đổi tốc độ gió 78

Chương 7 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

7.1 Kết luận 82

7.2 Hướng phát triển của đề tài 82

7.3 Ứng dụng của đề tài vào hệ thống điện Việt Nam 82

Tài liệu tham khảo 84

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

(Static Var System) Hệ thống bù tĩnh(Proportional Integral) Tích phân(Phase-Locked Loop) Vòng khóa pha

Hệ số P

Hệ số I(Shaft Generator) Đồng trục(High Voltage Alternating Current) Truyền tải điện áp xoay chiều(Automatic Voltage Regulator) Bộ điều chỉnh điện áp tự động(Power System Stabilize) Bộ ổn định hệ thống điện

( Pulse Width Modulation) Điều chế độ rộng xung(Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor có cực điều khiển cách ly(Rotor Side Converter) Bộ biến đổi phía Roto

(Grid Side Converter) Bộ biến đổi phía lưới(Wind Tuabin) Tuabin gió

(Proportional Integral Derivative) Vi tích phân(Single Input –Single Output) Một đầu vào – một đầu ra

Công suất truyền tác dụng giữa hai đầu đường dây

Công suất truyền phản kháng giữa hai đầu đường dây

Điện áp hai đầu nguồn

Tổng trở trên đường dây

ix

Góc lệch điện áp giữa hai đầu đường dây.

Phương trình điện áp cuộc dây SGPhương trình dòng điện cuộc dây SG.Mômen điện từ của SG

Điện áp của SGDòng điện của SGCông suất tác dụng SGCông suất phản kháng SGTốc độ gió cơ bản

Tốc độ gió giật

Độ dốc của tốc độ gió

Độ nhiễu của tốc độ gióThời gian gió giậtThời gian bắt đầu gió giậtĐỉnh của gió giật

Công suất cơ học của Tuabin gióMật độ không khí

Diện tích của cánh quạtTốc độ gió

Hệ số công suất

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Điểm hoạt động trạng thái ổn định của hệ thốngBảng 5.1 nghiên cứu được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển 68

giảm dao động cho SSSC

Bảng 5.3 Trị riêng (rad/s) của hệ thống nghiên cứu không có 70

SSSC, có SSSC và SSSC với PID

Bảng 6.1 Điểm vận hành trạng thái ổn định của hệ thống nghiên

71cứu trước khi có nhiễu loạn đột ngột được áp dụng

xi

Hình 2.7 Sơ đồ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch 18

Hình 2.9 Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ 20Hình 2.10 Sự cố ngắn mạch xảy ra tại F (a) và mạch tương đương (b) 23

Hình 3.1

(a) Hệ thống bù song song với một bộ bù phản kháng lý

Hình 3.2 tưởng tại điểm giữa;(b) biểu đồ pha đồng vị; (c) đặc tính 29

góc và công suất truyền tải(a) Hệ thống bù với một bộ bù dung kháng nối tiếp; (b)Hình 3.3

biểu đồ pha đồng vị; (c) đặc tính góc và công suất truyền tải 31Hình 3.4 Sơ đồ của một hệ thống điện hai máy đơn giản và sơ đồ 33

vector của nó: (a) không bù nối tiếp, (b) với bù nối tiếp

Hình 3.5 Công suất được truyền tải so với các góc tải như một hàm 34

xii

tham số của góc bù điện dung nối tiếp.

Hình 3.6 Đại diện chức năng của SVS dựa trên một bộ chuyển đổi 36

điện áp nguồn

Hình 3.7 Chế độ hoạt động ổn định có thể xảy ra và biểu đồ chuyển 37

đổi công suất cho SVS

Hình 3.8 Chế độ hoạt động SSSC trong một hệ thống điện hai máy 38

và sơ đồ pha (b) không bù, (c) bù dung, (d) bù kháng

Hình 3.9 Công suất được truyền đi so với góc tải được cung cấp bởi 39

cá SSSCHình 3.10 Bộ chuyển đổi dc-ac một pha đơn tuyến. 41

Hình 4.2 Trục d-q tương đương máy phát điện đồng bộ 48

Hình 4.5 Môhình đơn giản hóa hai khối lượng của WT 54

Hình 4.8 Khung tham chiếu hướng của vector từ thông stator. 61

Hình 4.10 Khung tham chiếu định hướng điện áp Stator 63

Hình 5.1 Sơ đồ khối bộ PID của SSSC 65Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín đơn giản 66

xiii

Hình 6.1 Điện áp lưới với lỗi ngắn mạch ba pha 72

Hình 6.2 Đáp ứng của hệ thống nghiên cứu dưới một lỗi ngắn mạch 74

ba pha

Hình 6.6 Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi tốc độ gió 80

xiv

Chương 1

TỔNG QUAN1.1 Lýdo chọn đề tài

Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển xãhội, đồng thời cũng là yếu tố duy trì sự sống trên trái đất Trong tương lai, nếu chúng ta

sử dụng không hợp lý các nguồn năng lượng có sẳn trong tự nhiên thì chúng sẽ bị cạnkiệt Vì thế việc nghiên cứu, tìm hiểu về nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nănglượng điện gió nói riêng là vô cùng cần thiết trong giai đoạn hiện nay Bên cạnh đó,việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng gió không chỉ góp phần cung ứng kịp thờinhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp giảm thiểu việc ô nhiễm môi trường

Với điều kiện địa lý thiên nhiên của nước ta hơn 2000km bờ biển, có chế độgió mùa quanh năm Các nhà nghiên cứu năng lượng, các nhà khoa học đã tìm ra đượcnhững vị trí tối ưu để đặt các nhà máy phát điện năng lượng gió với qui mô khá lớn tạiViệt Nam.Nghiên cứu của Ngân hàng thế giới đã chỉ ra rằng, Việt Nam là nước có tiềmnăng gió lớn nhất trong 4 nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Namđược ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m, tươngđương với tổng công suất 512GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được xếphạng có tiềm năng gió rất tốt [1]

Có thể nói, tiềm năng giócủa Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứu pháttriển năng lượng gió là một công việc cần thiết Sự nghiê cứu,triển khai năng lượng gió

ở Việt Nam đã đi được những bước đầu tiên Nhưng về cơ bản, sự phát triển nănglượng gió trong nước còn nhỏ lẻ vàkhákhiêm tốn so với tiềm năng to lớn của Việt Nam

Tuy nhiên, năng lượng gió thì phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện gió, điện cóthể được sản xuất và cung cấp đầy đủ khi gió đủ mạnh Do đó, nguồn điện có được từnăng lượng gió thường không ổn định

1

Sự ổn định hệ thống điện được xem như là một vấn đề quan trọng đối với vậnhành an toàn hệ thống điện từ những năm 1920 [2] Nhiều sự cố mất điện lớn cónguyên nhân là do sự không ổn định của hệ thống điện đã mô tả sự quan trọng của vấn

đề này [3] Trong lịch sử, sự không ổn định do quá độ đã trở thành vấn đề chiếm ưu thếlớn của hầu hết các hệ thống điện Khi các hệ thống điện đã phát triển tiến hóa thôngqua một sự phát triển liên tục, từ các liên kết về điện, việc sử dụng các công nghệ mới,việc điều khiển và vận hành gia tăng trong các điều kiện sự cố, nên có rất nhiều dạngbất ổn định hệ thống khác nhau đã xuất hiện Ví dụ như, sự ổn định điện áp, sự ổn địnhtần số và các dao động ở nhiều khu vực đã trở thành những vấn đề lớn hơn so với trongquá khứ Điều khiển ổn định hệ thống điện là một nhiệm vụ quan trọng trong vận hành

hệ thống điện [4] Nhiều sự cố như là nhiễu loạn bên ngoài hay mô men cơ học bêntrong cũng dễ dàng tác động đến sự ổn định hệ thống

Với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn công suất cao, các thiết bị Hệ ThốngTruyền Tải AC linh hoạt (Flexible AC transmission systems) (FACTS) có hiệu suấtcao trong việc cải thiện cả tính ổn định và việc giảm dao động của một hệ thống điệnthông qua điều khiển động đường cong quan hệ giữa góc-công suất của các hệ thốngđược kết nối [5] Do sự đáp ứng nhanh của nó, những thiết bị này được dùng để điềuchỉnh tự động cấu hình mạng điện để nâng cao đặc tính ổn định tĩnh cũng như ổn địnhđộng [6] Có nhiều dạng thiết bị FACTS khác nhau, một số được mắc nối tiếp vớiđường dây và một số khác được mắc song song hoặc kết hợp giữa mắc song song vànối tiếp Mô tả chi tiết của các thiết bị FACTS khác nhau bao gồm các nguyên tắc hoạtđộng có thể được tìm thấy trong [7,8] Một trong những ứng dụng nổi bật của thiết bịFACTS chính là thiết bị SSSC (Bù Đồng Bộ Kiểu Tĩnh - Static Synchronous SeriesCompensator), SSSC điều khiển công suất phản kháng chảy qua điểm kết nối thôngqua điều khiển biên độ, góc pha của điện áp nguồn, từ đó có thể đáp ứng được các chế

độ vận hành khác nhau của hệ thống điện, đặc biệt là nâng cao khả năng truyền tải vàđiều khiển dòng công suất của đường dây Vì vậy, việc lắp đặt SSSC ở một số điểm

quan trọng trên đường dây truyền tải là giải pháp hữu hiệu để tăng khả năng truyền tải

và đồng thời giải quyết các bài toán kinh tế Luận văn này tìm hiểu các thông số trênđường dây truyền tải điện và phương pháp điều khiển dòng công suất trên hệ thốngđiện có tích hợp năng lượng gió dùng SSSC

1.2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đề tài

Ổn định hệ thống điện liên quan đến khả năng của hệ thống ở điều kiện vậnhành bình thường và khi có nhiễu loạn có thể duy trì ổn định tại mọi thanh cái trên hệthống ở mức chấp nhận tại các nút Một hệ thống rơi vào trạng thái không ổn định làkhi cócá tác động ngắn mạch, khi có yêu cầu thay đổi tải … hoạt động của hệ thống sẽ

có sự dao động lớn

Các hệ thống điện gió bị ảnh hưởng rất lớn bởi sự thay đổi của tốc độ gió vìlúc đó sẽ sinh ra các dao động Tác giả trong bài báo [9] đã xây dựng hệ thống nghiêcứu các dao động của trang trại gió cũng như nghiên cứu các phương pháp làm giảmthiểu các dao động Tác giả trong bài báo [10] phân tích ổn định tĩnh điện áp tại nútphụ tải dựa trên phân tích độ nhạy V-Q cũng như đưa ra sự khảo sát vị trí kế nối điệngió trên tiêu chí ổn định điện áp

Mô hình các tuabin gió dựa trên DFIG cho các nghiên cứu về ổn định hệ thốngđiện đã được trình bày trong [11] để năng lượng gió có thể được sử dụng ổn định vàhiệu quả hơn

Các tác giả trong [12] báo cáo các chức năng giảm dao động của SSSC trong

hệ thống điện Mô hình tuyến tính SSSC tích hợp vào hệ thống điện được thiết lập vàcác phương pháp thiết kế bộ điều khiển giảm dao động của SSSC cũng được đưa ra.Bài báo nghiên cứu cả hai trường hợp hệ thống điện một máy và hệ thống điện nhiềumáy Trong [13], phương pháp bù pha đã được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển giảmdao động của SSSC trong hệ thống điện một máy và một thuật toán tìm kiếm các hàmmục tiêu được đề xuất để thiết kế bộ điều khiển giảm dao động của SSSC trong hệthống điện nhiều máy

3

Tác giả trong [14] đã trình bày phương pháp ổn định điện áp bằng cách dùng

bộ điều khiển công suất mở rộng UPFC

Tác giả trong [15] cũng đã trình bày các chức năng của thiết bị Facts SSSCtrong điều khiển ổn định điện áp

Đối với việc sử dụng máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) kết hợp với các thiết

bị FACTS đã giúp làm giảm các dao động xảy ra nhưng thời gian để hệ thống trở vềtrạng thái ổn định ban đầu không ngắn Luận văn này trình bày sự kết hợp SSSC với

bộ giảm dao động PID trên máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) để giúp hệ thống trở

về trạng thái ổn định nhanh nhất

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát: Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượnggió hòa lưới sử dụng SSSC Mô phỏng trên phần mềm và phân tích kết quả mô phỏng

từ đó đánh giá tối ưu hiệu suất ổn định hệ thống điện

Mục tiêu cụ thể cần đạt được như sau:

Mục tiêu 1: Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của

SSSC trong điều khiển phân bố công suất của hệ thống điện

Mục tiêu 2 : Tính toán thiết kế bộ điều khiển nâng cao ổn định hệ thống điện có

tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC

Mục tiêu 3 : Dùng công cụ phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng và đánh giá

kết quả ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió bằng cách sử dụng SSSC

1.4 Đối tượng vàphạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là Ứng dụng SSSC để ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió

Phạm vi nghiên cứu

Ứng dụng SSSC để ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió bằng phần mềm Matlab-Simulink

Giới hạn về thời gian nghiên cứu: Thời gian nghiên cứu có hạn nên đề tài thựchiện trong 6 tháng.

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập và đọc hiểu các tài liệu liên quan từ cán bộ hướng dẫn,sách, từ các bài báo, báo cáo và từ internet Chọn lọc tài liệu liên quan, phương phápphân tích tài liệu, phân tích đánh giá kết quả

1.6 Giới hạn của đề tài

Nội dung chính của luận văn là xây dựng, trình bày sự thay đổi dòng công suấttrên đường dây truyền tải khi gắn thiết bị SSSC Luận văn còn hạn chế khi chỉ mới môphỏng trên phần mềm để thấy được sự phân bố dòng công suất khi hệ thống có gắnthiết bị SSSC Ngoài ra, luận văn cũng mới chỉ ra một ứng dụng cơ bản của SSSC làđiều khiển dòng công suất

1.6 Ý nghĩa khoa học vàthực tiễn của đề tài

Từ thực tiễn các vấn đề đang xảy ra như nhu cầu tiêu thụ năng lượng của conngười ngày một tăng dần, nguồn năng lượng truyền thống gây ô nhiễm môi trường vàngày càng cạn kiệt Vì thế, chúng ta cần phải đi tìm và khai thác các nguồn năng lượngmới - nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường và một trong số đó chính lànguồn năng lượng gió nhằm đáp ứng yêu cầu phụ tải ngày càng tăng cũng như giảmbớt chi phí từ việc cung cấp của lưới điện quốc gia

1.7 Các nội dung nghiên cứu

Chương 1 : Chương mở đầu

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về ổn định hệ thống điện

Chương 3 : Mô hình tụ bù đồng bộ tĩnh SSSC

Chương 4 : Mô hình toán học của hệ thống nghiên cứu

Chương 5 : Thiết kế bộ điều khiển giảm dao động cho SSSC

Chương 6 : Mô phỏng hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió sử dụng SSSC

Chương 7 : Kết luận và hướng phát triển

5

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Các khái niệm cơ bản

2.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ

2.1.1.1 Hệ thống điện (HTĐ)

HTĐ là tập hợp cá phần tử tham gia vào quátrình sản xuất, truyền tải vàtiêu thụ năng lượng điện

Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:

- Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối vàsử dụng điện năng như máy phát, đường dây tải điện vàcác thiết bị dùng điện

- Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh vàbiến đổi trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện

Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng vànhiều sự giản ước tính toán khác Ví dụ: tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến

áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Các thông số của cácphần tử cũng được gọi làcác thông số của HTĐ

Nhiều thông số của HTĐ làcác đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộcvào dòng công suất, tần số như làX, Y, độ từ hoá trong phần lớn các bài toán thực

tế có thể coi làhằng số vànhư vậy ta có hệ thống tuyến tính Nếu tính đến sự biến đổicủa các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây làmột dạng phi tuyến của HTĐ, dạngphi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bãohoàcủa máy phát, máy biến áp trong các bài toán ổn định

2.1.1.2 Chế độ của HTĐ

Chế độ của HTĐ là tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạngthái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó

Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, δ tại mọithời điểm của HTĐ Đây là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông

số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi HTĐ làm việc Các thông số chế độ xác định hoàntoàn trạng thái làm việc của HTĐ

Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mốiquan hệ này có dạng phi tuyến.Ví dụ : P = U2/R

Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:

- Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ mà các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem các thông số này là hằng số

Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biếntheo thời gian vìHTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luônluôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng

CĐXL được chia thành:

+ CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ

+ CĐXL sau khi đã loại trừ sự cố

+ Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì

- Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi nhiều Chế độ quá độ gồm có:+ Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang

CĐXL bình thường khác

+ Chế độ quá độ sự cố là chế độ xảy ra sau sự cố

2.1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ

 CĐXL bình thường có các yêu cầu.

 Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải cóchất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằmtrong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn

7

 Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng

đảm bảo Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều

kiện của HTĐ

 Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượngđiện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏnhất

 Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện

 CĐXL sau sự cố có các yêu cầu.

Các yêu cầu CĐXL bình thường trên giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trongmột thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc

là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này về CĐXL bình thường

 Chế độ quá độ (CĐQĐ) có các yêu cầu.

 Chấm dứt nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố

 Trong thời gian quá độ, các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như: giátrị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch

 Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách

điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ

2.1.2 Khái niệm về ổn định HTĐ

2.1.2.1 Cân bằng công suất

Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD)

và công suất phản kháng (CSPK) Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất

do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử

Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ:

Cho nên, cá điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) không thể xét một cáchđộc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng.

Tuy vậy, trong thực tế việc tính toán và vận hành HTĐ một cách gần đúng cóthể xem sự biến đổi của CSTD và CSPK tuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởngđến nhau Đó là:

 Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của HTĐ, ảnh hưởng của nóđến điện áp không đáng kể Như vậy, tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằngCSTD

 Sự biến đổi CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của HTĐ Như vậy có thểxem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK

Trong khi vận hành HTĐ, các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) đượcđảm bảo một cách tự nhiên Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho cácđiều kiện cân bằng công suất được thoả mãn

Ví dụ, khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó, ta tăng CSTD của nguồn lênthì lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên theocho tới khi cân bằng với công suất của nguồn Hay khi đóng thêm một phụ tải CSPKthì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng khác cũng sẽgiảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK Tất nhiên, sự điều chỉnh này chỉ thựchiện được trong phạm vi cho phép

Các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) và (2.3) là các cơ sở xuất phát

để tính toán các chế độ của HTĐ Từ các điều kiện ấy, ta tính được các thông số củachế độ U, I, P, Q

Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và HTĐ, quy định các giá trị cân bằng cho CSTD và CSPK như sau:

- Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ f (50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép: fcp min ≤ f ≤ fcp max

9

- Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của HTĐ nằm trong giới hạn cho phép: Ucpmin ≤ U ≤ Ucpmax

Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem như sự cân bằng công suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng

Sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống Vì ở tất cả các điểm trên hệ thống,tần số luôn có giá trị chung Do đó, việc đảm bảo tần số dễ thực hiện, chỉ cần điềuchỉnh công suất tại một nhà máy nào đó Trái lại, sự cân bằng CSPK mang tính chấtcục bộ thừa chỗ này thì thiếu chỗ khác Việc điều chỉnh CSPK phức tạp, không thểthực hiện chung cho toàn bộ hệ thống

Trong HTĐ, máy phát điện (MP) là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệthống, vì vậy sự cân bằng CSTD trên trục roto của các MP đóng vai trò quan trọngquyết định sự tồn tại của CĐXL Đây là sự cân bằng cơ - điện, nghĩa là sự cân bằnggiữa công suất cơ học của tua bin PTB và công suất điện PMP do MP phát ra: PTB = PMP Như trên đã nói, sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống cho nên bất cứ sựmất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều lập tức tác động lên MP và gây ra sựmất cân bằng cơ - điện ở đây

Đối với CSPK, sự cân bằng ở các nút phụ tải lớn có ý nghĩa quan trọng hơn cả Còn đối với các phụ tải quay cũng có sự cân bằng cơ điện, sự cân bằng công suấtđiện của lưới PPT và công suất cơ PC của các máy công cụ: PC = PPT

2.1.2.2 Khái niệm ổn định HTĐ

Trong hệ thống điện luôn tồn tại vô số kích động (nhiễu) tác động lên hệ thống Hệthống phải đảm bảo được tính ổn định khi chịu các kích động này Ổn định hệ thốngđiện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi chịu các kích độngmàđiều kiện cân bằng công suất không bị phá huỷ

Các kích động đối với chế độ HTĐ được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ vàcác kích động lớn