Báo cáo 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 (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo 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 (Phần 1)

1. 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 HỆ THỐNG ÐIỆN CÓ MÁY PHÁT ÐIỆN GIÓ MÃ SỐ: T2015-32TÐ S KC 0 0 5 3 4 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02/2016
2. 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 I
3. 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 II
4. 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 defined. Chương 1: Ổn định động của hệ thống có kết hợp với điện gió Error! Bookmark not defined. 1.1. Ổn định trong hệ thống điện Error! Bookmark not defined. 1.1.1. Khái niệm ổn định hệ thống điện Error! Bookmark not defined. 1.1.2. Các chỉ tiêu ổn định điện áp Error! Bookmark not defined. 1.2. Máy phát điện gió PMSG Error! Bookmark not defined. 1.2.1. Phân loại máy phát điện tuabin gió Error! Bookmark not defined. 1.2.2. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Error! Bookmark not defined. 1.3. Ảnh hưởng của điện gió trong hệ thống điện Error! Bookmark not defined. 1.3.1. Ảnh hưởng chung Error! Bookmark not defined. 1.3.2. Ảnh hưởng của nguồn điện gió đến chất lượng điện năng Error! Bookmark not defined. 1.3.3. Ảnh hưởng nguồn điện gió đến điện áp lưới điện Error! Bookmark not defined. Chương 2: Thiết bị bù ngang SVC và ứng dụng trong hệ thống điện Error! Bookmark not defined. 2.1. Thiết bị bù ngang SVC Error! Bookmark not defined. 2.1.1. Cấu tạo thiết bị bù SVC Error! Bookmark not defined. 2.1.2. Nguyên lý hoạt động SVC Error! Bookmark not defined. 2.1.3. Mô hình nghiên cứu SVC Error! Bookmark not defined. 2.2. Ứng dụng của SVC trong hệ thống điện có kết hợp hệ thống điện gió Error! 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. III
5. 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. IV
6. Danh mục hình Hình 1.1. Sơ ồđ 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 ồđ 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 ồđ tương đương của SVC 29 Hình 2.5. Sơ ồđ điều khiển của SVC 29 Hình 2.6. Sơ ồđ 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 V
7. Danh mục các chữ viết tắt STT Ký Hiệu Ghi Chú 1. ω Vận tốc góc 2.  Trị riêng 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 VI
8. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN VỊ Tp. HCM, Ngày 29 tháng 02 năm 2016 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 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) VII
9. 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. VIII
10. 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 1
11. 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. 2
12. 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. 3
13. 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 4
14. 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 5
15. 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: VVlvgh min Vmin %.100% (1.1) Vghmin Trong đó: + 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]. 6
16. 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: PPmax HTpt  KdtP %.100% (1.2) Ppt Trong đó: + PmaxHT :Tổng CSTD phụ tải của HTĐ tại điểm giới hạn ổn định điện áp. + 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. 7
17. V Vnú t Bình thường (trước khi sự cố xảy ra) Sau khi sự Điểm tới hạn (hoặc cố xảy ra điểm sụp đổ điện áp) Vgh Giới hạn công suất phản kháng Qdt Q 0 Q0 Qmax Qma 1 x0 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: QQdt 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: QQQdt max 0 (1.3) 8
18. 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]. SRX(cossin) max (1.4) U U 2 Theo tiêu chuẩn IEC, để đảm bảo chất lượng điện áp hệ thống điện gió kết nối lưới điện thì 훥u <= 2%. Trong đó: 훥u: độ vọt lố điện áp Smax: Công suất biểu kiến tối đa 휙: 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. 9
19. 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 10
20. 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. 11
21. 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 12
22. S K L 0 0 2 1 5 4