Khảo sát điện áp lưới phân phối khi có máy phát điện gió

Nội dung text: Khảo sát điện áp lưới phân phối khi có máy phát điện gió

1. KHẢO SÁT ĐIỆN ÁP LƢỚI PHÂN PHỐI KHI CÓ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ SURVEY ON VOLTAGE DISTRIBUTION NETWORK WITH THE WIND TURBINE GENERATION Nguyễn Đình Phú, Pgs. Ts Phan Thị Thanh Bình Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM TÓM TẮT Bài báo này trình bày phương pháp xác suất và phi xác suất để tính toán ước lượng các thông số của phân bố gió, ước lượng công suất máy phát điện gió và những ảnh hưởng của máy phát điện gió lên phổ điện áp của lưới phân phối. ABSTRACT This paper presents methods of probability and non-probability estimates to calculate the distribution parameters of wind, estimated wind power generator and the benefit of Wind turbine generation to quantify the voltage profile improvement. I. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG dự báo điện áp lưới điện khi có nguồn phân Với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế tán đưa vào. như hiện nay thì nhu cầu về sử dụng điện II. CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Do sự CƠ BẢN gia tăng phụ tải điện, đòi hỏi ngành điện phải 1. Công suất trong phổ gió [3] đầu tư xây dựng các nhà máy điện cũng như phát triển và hoàn thiện hệ thống truyền tải và phân phối. Việc xây dựng những nhà máy phát điện công suất lớn đòi hỏi phải có thời gian dài và vốn đầu tư lớn đồng thời nảy sinh hàng loạt các vấn đề như: nhiên liệu cung cấp, diện tích đất đai, ảnh hưởng môi trường v.v Mặt khác, để đưa được công suất phát đến nơi tiêu thụ lại cần đến hệ thống truyền tải và phân phối làm cho chi phí tăng cao. Vì Hình 2.1: Luồng không khí dịch chuyển đến vậy việc sử dụng kết hợp máy phát phân tán tuabin gió trong hệ thống được xem là một giải pháp 1 3 P a ATV hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. 2 (1.1) Chính vì vậy, khi hệ thống có sự tham gia 2. Phân bố vận tốc gió [3] của nguồn phân tán thì một trong những vấn đề lớn cần phải quan tâm lớn đó là bài toán 1
2. Ngoài tốc độ gió trung bình trong khoảng thời gian, phân bố của nó cũng là một yếu tố quan trọng trong đánh giá tài nguyên gió. Một trong những thước đo cho sự thay đổi của vận tốc trong một tập hợp các dữ liệu gió là độ lệch chuẩn (σV). Độ lệch chuẩn cho chúng ta biết độ lệch của vận tốc cá nhân so với giá trị trung bình. 1 n 3 f V 3  i i V i 1 m n (2.1) Hình 3.1: Hàm mật độ xác suất gió  fi i 1 Hàm phân phối tích luỹ của vận tốc V n 2 cho ta phân số thời gian hoặc xác suất mà  fi Vi Vm i 1 vận tốc gió bằng hoặc nhỏ hơn V. Do đó V n (2.2)  fi phân phối tích luỹ F(V) là tích phân của hàm i 1 mật độ xác suất. Trong đó fi là tần suất và Vi là vận tốc trong khoảng thời gian tương ứng. k V c III. MÔ HÌNH XÁC SUẤT ĐỂ PHÂN F(V) f (V )dV 1 e 0 TÍCH DỮ LIỆU GIÓ (3.2) 1. Phân bố Weibull [3] Trong phân bố Weibull, nhiều sự thay đổi vận tốc gió được biểu thị bởi 2 hàm; hàm mật độ xác suất và hàm phân phối tích luỹ [3] [4] [5] . Hàm mật độ xác suất của phân bố gió f(V): k V k 1 k V c f(V) .e c c (3.1) Trong đó: Hình 3.2: Hàm phân phối tích lũy gió k là thông số hình dạng đặc trưng cho Để phân tích chế độ gió theo phân bố ‘‘dáng điệu‘‘ của phân bố Weibull, chúng ta phải thiết lập thông số Weibull k và c. Có nhiều phương pháp để c là thông số tỉ lệ đặc trưng cho độ ‘‘co‘‘ xác định k và c, trong bài báo trình bày và ‘‘giãn‘‘ của phân bố phương pháp đồ thị để xác định thông số k, c. 2
3. 2. Phƣơng pháp đồ thị: khai để phân tích những ưu việt khi lắp WTG Trong phương pháp đồ thị, biến đổi hàm vào hệ thống điện. phân phối tích lũy thành dạng tuyến tính, 0 theo tỉ lệ logaric. Biểu thức phân bố tích lũy của vận tốc gió có thể được viết Infinite Bus D km Tải k V c 1 F(V ) e (3.3) WTG Lấy logaric 2 lần được Y km ln ln 1 F(V) k ln V k ln c   i (3.4) Biểu đồ mối quan hệ ở trên với ln(Vi) Hình 4.1: Sơ đồ hình tia của hệ thống điện dọc theo trục X và ln{-ln[1-F(V)]} dọc theo đơn giản khi lắp WTG Những giả định sau được làm trong trục Y, thực hiện tuyến tính hóa được đường nghiên cứu: thẳng Y = ax-b => k = a, c = exp (b/k). - Tải tiêu thụ công suất thực ở một vài hệ số công suất được xác định. - Tải được kết nối hình Y; do đó cường độ dòng điện dây cũng giống cường độ dòng điện pha. - WTG bơm công suất ở hệ số công suất đều. - Điện trở đường dây được bỏ qua, chỉ Hình 3.3: Phương pháp đồ thị xác định k và c điện kháng đường dây được xem như trong mô hình đường dây. IV. KHẢO SÁT ĐIỆN ÁP LƢỚI PHÂN PHỐI KHI CÓ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ - Vs là điện áp pha hiệu dụng ở nút 1. Mô tả hệ thống: nguồn vô hạn; Us là pha tham chiếu, o Xét một hệ thống điện hình tia với WTG Us∟0 và phụ tải phân bố đều. Hàm mật độ xác suất, - WTG được lắp đặt tại D km tính từ giá trị kỳ vọng, và điện áp phụ tải được triển nút nguồn. 3
4. 2. Mô hình máy phát điện gió [7]: Hàm mật độ xác suất của công suất điện ngõ ra tuabin gió được đưa ra bởi biểu thức (3.5) và (3.6) bằng cách áp dụng định lý biến đổi [7]: (1 F(V ) F(V ) (P) O I P 0 k 2.28 2.28 2.28 k V V P 2.28 R I 2.28 2.28 2.28 VR VI VI c k 2.28 P R k 1 2.28 f P P 2.28 2.28 2.28 VR VI VI P R exp 0 P PR c Hình 4.2: Đặc tuyến công suất của tuabin gió P P Công suất điện đầu ra của máy phát điện gió F(VO ) F(VR )  (P PR ) R là một hàm phụ thuộc vào tốc độ gió. (3.8) 0 0 V VI m Trong đó: δ(P-P ): Là hàm xung lực đơn a b.V VI V VR R P V PR VR V VO vị tại PR 0 V VO 3. Mô hình tải: (3.5) Nhu cầu điện thường thay đổi giữa tải Trong đó: cực đại SLmax và tải cực tiểu SLmin. Nói VI: vận tốc gió cut-in chung, chúng có thể được xem như là những VR: vận tốc gió định mức VO: vận tốc gió cut-out biến ngẫu nhiên liên tục. Một mô hình tải với PR: công suất định mức tuabin gió tải phân bố đều sẽ được sử dụng trong nghiên m: đặc tuyến ngõ ra công suất tua bin cứu này. Hàm mật độ xác suất tương ứng: gió (thông thường m =2.28) 0 1 0 V VI S S S S S Lmin L Lmax Lmax Lmin 2.28 2.28 f PR (V VI ) SL 2.28 2.28 VI V VR V V R I Otherwise P V 0 VR V VO PR (3.9) 4. Xác suất điện áp lƣới trong hệ thống V V 0 O điện khi không có DG gió [7]: (3.6) Sơ đồ hệ thống như trong hình 4.1. Điện áp ở tải bằng điện áp nút nguồn trừ điện áp 4
5. rơi do điện kháng đường dây. Bằng cách áp C E(L) aE(P) (3.12) dụng định luật mạch điện cơ bản, biên độ điện áp pha hiệu dụng UL có thể được biểu US: Điện áp hiệu dụng pha của nút nguồn (pu) diễn như một hàm theo điện áp nút nguồn, công suất tải, tổng điện kháng đường dây và UL: Điện áp hiệu dụng pha của nút tải hệ số công suất. (pu) X: Tổng trở kháng pha (pu) (3U 2 2XBS ) 9U 4 12XBS U 2 4X 2 (B2 1)S 2 U S L S L S L L 6 (3.10) E(L): Giá trị kỳ vọng công suất phụ tải. Trong đó: E(P): Giá trị kỳ vọng công suất WTG US: Điện áp hiệu dụng pha của nút nguồn 6. Phân tích điện áp theo cách tiếp cận phi xác suất [7]: (pu) Tiếp cận phi xác suất là một phương pháp SL: Giá trị tuyệt đối của công suất biểu thay thế đơn giản để định lượng các lợi ích kiến tải (pu) của WTG. Ưu điểm của phương pháp này là tránh được áp dụng tích chập gữa công suất X: Tổng trở kháng pha (pu) điện đầu ra tua bin gió và phụ tải, do đó giảm 2 nL số lượng phép tính. Ba bước được đưa ra để B ( 1) 1 (cos )L giải quyết trong tiếp cận phi xác suất được 1 leading cos trình bày bên dưới. nL 2 lagging cos Bước 1: Tính trung bình công suất điện 5. Xác suất điện áp lƣới trong hệ thống đầu ra của máy phát điện gió. điện khi có DG gió [7]: Trong phân tích này, máy phát điện gió Công suất gió ngõ ra có thể xem như là giả định được đặt ở vị trí D km so với nút một biến ngẫu nhiên, trung bình công suất nguồn như trong hình 4.1. Biên độ hiệu dụng gió ngõ ra nhận được bằng cách tính giá trị điện áp pha ở nút phụ tải được tính như sau: kỳ vọng sử dụng hàm mật độ phân bố xác suất như sau: 2 4 2 2 3U S 9U S 4X C U L 6 (3.11) Trong đó C được tính bởi: 5
6. Sau khi ngõ ra công suất máy phát điện 0 1 F(VO ) F(VR )  (P) P 0 k 2.28 P 0.001 R 2.28 2.28 2.28 gió và tải trung bình đã được tính, điện áp k V V P 2.28 2.28 2.28 P R I V V V k R I I 0.001 c 2.28PR PR hiệu dụng pha tại phụ tải có thể được tính 1 k  E(P) P 2.28 2.28 2.28 2.28 VR VI VI bằng cách thể biểu thức (3.14) và (3.15) vào PR 0 P P exp dP R c (3.12) rồi (3.11).  P PR PR F(VO ) F(VR )  (P PR ) 7. Xét ảnh hƣởng của vị trí lắp WTG lên điện áp lƣới phân phối: (3.13) Tính điện áp ở phụ tải khi vị trí lắp WTG cách nút nguồn từ 2km đến 10km (D = 2km Trong phương trình (3.13) tích phân từ đến 10km), công suất định mức WTG PR = 0.001 đến (PR-0.001) bởi vì phương trình 0.2pu, hệ số công suất phụ tải Cosphi = này được sử dụng tương đương giá trị kỳ 0.8lagging. vọng của công suất ngõ ra của tuabin gió khi ngõ ra lớn hơn giá trị 0 nhưng nhỏ hơn công Chạy chương trình matlab để tính toán suất định mức. Do đó, dải tích phân nên càng được kết quả: gần đến 0 và PR khi có thể. Giá trị 0.001 được xem như một giá trị xấp xỉ của dải ngõ ra công suất từ 0 đến PR. Tổng giá trị kỳ vọng của ngõ ra công suất máy phát điện gió có thể đạt được suy ra từ (3.13): E(P) E(P) E(P) 0 P PR P PR (3.14) Bước 2: Tính trung bình công suất tải Với giả thuyết tải có hàm phân bố đều thì giá trị kỳ vọng được tính đơn giản như sau: Hình 4.3: Ảnh hưởng của vị trí lắp đặt SLmax SLmin WTG lên điện áp phụ tải ở các chế độ gió E(L) 2 khác nhau (3.15) Bảng 4.1: Kết quả tính toán điện áp tại Bước 3: Tính giá trị kỳ vọng của điện áp phụ tải khi lắp đặt WTG ở các vị trí khác hiệu dụng tại phụ tải nhau và ở các chế độ gió khác nhau 6
7. Vị trí Giá trị Giá trị Giá trị 8. Xét ảnh hƣởng công suất định mức lắp diện áp diện áp tại diện áp WTG lên điện áp lƣới phân phối: đặt tại phụ phụ tải tại phụ WTG tải (pu) ở (pu) ở chế tải (pu) ở Tính điện áp ở phụ tải khi lắp WTG với (D chế độ độ trung chế độ các công suất định mức PR khác nhau: km) gió thấp bình cao 0.08pu đến 0.32pu và vị trí lắp WTG D = 2 0.9511 0.9521 0.9530 100% tổng chiều dài đường dây phân phối 3 0.9513 0.9528 0.9542 4 0.9515 0.9535 0.9554 tính từ nút nguồn (a=D/L, a=1), ở chế độ gió 5 0.9518 0.9542 0.9565 thấp, chế độ gió trung bình, chế độ gió cao, 6 0.9520 0.9549 0.9577 7 0.9522 0.9555 0.9588 hệ số công suất phụ tải Cosphi = 0.8lagging. 8 0.9524 0.9562 0.9600 Chạy chương trình matlab để tính toán 9 0.9526 0.9569 0.9611 10 0.9528 0.9576 0.9623 được kết quả: Bảng 4.2: Kết quả tính toán điện áp tại phụ tải khi thay đổi công suất định mức Nhận xét: Vị trí lắp đặt WTG là yếu tố WTG và ở các chế độ gió khác nhau quan trọng cải thiện điện áp ở phụ tải. Trong Giá trị Giá trị trường hợp này, vị trí của WTG thay đổi từ Công điện áp điện áp Giá trị 20% đến 100% chiều dài đường dây tính từ suất định phụ tải ở phụ tải ở điện áp mức chế độ chế độ phụ tải ở nút nguồn, hệ số công suất phụ tải 0.8lagging WTG PR gió thấp gió trung chế độ gió và công suất định mức WTG 0.2pu. Kết quả (pu) (pu) bình (pu) cao (pu) 0.08 0.9515 0.9534 0.9553 tính toán mô phỏng được thể hiện trong hình 0.16 0.9524 0.9562 0.9600 4.3. 0.24 0.9533 0.9590 0.9645 0.32 0.9541 0.9617 0.9690 Giá trị kỳ vọng điện áp phụ tải tăng khi vị trí WTG gần phụ tải như kỳ vòng. Ảnh hưởng của WTG là nhỏ nếu nó được lắp đặt xa phụ tải, WTG nên được lắp tại phụ tải để có kết quả tốt nhất. Chế độ gió tác động đáng kể lên điện áp tải. Chế độ gió tốt hơn dẫn đến giá trị kỳ vọng điện áp được cải thiện. Nghĩa là WTG sản xuất nhiều điện năng hơn với chế độ gió tốt hơn, từ đó giúp cải thiện điện áp tại phụ tải. Điều đó được thể hiện như trong hình 4.3 7
8. Hình 4.4: Ảnh hưởng công suất định mức 1 n 3 f V 3 lên điện áp lưới phân phối ở các chế độ gió  i i V i 1 6.8(m / s) khác nhau m n  fi i 1 Nhận xét: Công suất định mức WTG cũng là một hệ số quan trọng trong việc cải Xác định thông số hình dạng và thông số thiện điện áp phụ tải lưới phân phối. Trong tỉ lệ bằng phương pháp đồ thị. trường hợp này, công suất định mức tăng từ Vẽ đồ thị với các điểm ở trục x là ln(v) và 0.08 pu đến 0.32 pu với vị trí lắp đặt WTG ở ở trục y là ln{-ln[1-F(v)]}: tại phụ tải (D=10km) và hệ số công suất phụ tải ở 0.8 lagging. Hình 4.4 thể hiện rõ ảnh hưởng của công suất định mức WTG giúp cải thiện điện áp lưới phân phối. Bằng việc tăng công suất định mức WTG, giá trị kỳ vọng điện áp phụ tải cũng tăng. Giá trị tăng điện áp phụ tải thì rất rõ với chế độ gió cao. 9. Phân tích dữ liệu gió tại Tuy Phong – Bình Thuận và áp dụng kết quả để Hình 4.5: Áp dụng phương pháp đồ thị để tính toán, mô phỏng điện áp lƣới phân tích dữ liệu gió tại Tuy Phong phân phối bất kỳ: Bảng 4.3: Tính thông số k, c bằng Từ đồ thị trong hình 6.4 thực hiện nội suy phương pháp đồ thị ra được hàm y = 2.27566x – 4.54528 và xác định được k = 2.276, c = 7.37. Vận Tần suất Phương pháp tốc Mô tả Tích lũy thực tế đồ thị gió 10. Tính ƣớc lƣợng công suất điện đầu ra ln{- WTG ứng với dữ liệu gió thu thập v f(v) F(v) ln(v) ln[1- F(v)]} đƣợc tại Tuy Phong – Bình Thuận: 1 v ≤ 1 - Bảng 4.4: Dữ liệu gió và đặc tính tua bin gió 2 v ≤ 2 0.06338485 0.06338485 0.693 2.726 Đặc tính tuabin gió 25 v ≤ 25 0.00000001 0.99999999 3.219 2.913 Dữ liệu gió tai Tuy Nordex Xác định vận tốc gió trung bình Phong Bình Thuận N80/2500kW Tốc độ gió Tốc độ gió cut-in VI (m/s) 6.8 (m/s) 4 Thông số tỉ lệ 7.37 Tốc độ gió 15 8
9. c (m/s) định mức VR (m/s) Thông số Tốc độ gió hình dạng k 2.27 cut-out VO (m/s) 6 (m/s) 25 Công suất định mức WTG PR 250 (kW) 0 Kết quả tính toán: Hình 4.7: Đặc tuyến điện áp tại các nút của Loading from: matlab.mat lưới phân phối khi khi lắp đặt WTG ở nút Tinh cong suat may phat dien gio Pw phụ tải đầu đường dây (0<Pw<Pr) Bảng 4.5: giá trị điện áp tại các nút: Cong suat Pw (0<Pw<Pr) Công P0 = 386.6906 suất Tinh cong suat may phat dien gio Pw tác dụng Điện Điện Điện (Pw=Pr) WTG Phụ áp nút áp nút áp nút Cong suat Pw (Pw=Pr) (KW) tải 1 (pu) 2 (pu) 3 (pu) Trước khi P1 = 16.1847 đóng WTG Gia tri ky vong cong suat may phat vào lưới 0.00 Min 0.9988 0.9943 0.9928 dien gio Pw WTG đặt ở đầu đường Pw = 402.8753 (kW) dây 391.00 Min 1.0010 0.9961 0.9951 Sử dụng giá trị kỳ vọng công suất máy phát Lượng điện áp thay đổi điện gió để tính toán mô phỏng trong phần 11 so với trước khi lắp WTG 0.0022 0.0018 0.0023 11. Mô phỏng điện áp lƣới phân phối khi WTG đặt ở giữa đường lắp đặt WTG ở nút phụ tải đầu dây 393.00 Min 1.0010 0.9976 0.9962 đƣờng dây Lượng điện áp thay đổi Sơ đồ lưới phân phối: so với trước khi lắp WTG 0.0022 0.0033 0.0034 WTG đặt ở cuối đường dây 393.00 Min 1.0010 0.9978 0.9974 Lượng điện áp thay đổi so với trước khi lắp WTG 0.0022 0.0035 0.0046 Trước khi Hình 4.6: Sơ đồ lưới phân phối khi lắp đặt đóng WTG WTG ở nút phụ tải đầu đường dây vào lưới 0.00 Max 0.9815 0.9700 0.9662 WTG đặt ở Kết quả mô phỏng: đầu đường dây 391.00 Max 0.9855 0.9725 0.9682 Lượng điện áp thay đổi so với trước khi lắp WTG 0.0040 0.0025 0.0020 WTG đặt ở 392.00 Max 0.9841 0.9743 0.9715 9
10. giữa đường [3] Sathyajith Mathew, Wind Energy dây Fundamentals, Resource Analysis and Lượng điện áp thay đổi Economics, 2006. so với trước khi lắp WTG 0.0026 0.0043 0.0053 [4] Hennessey JP, Some aspects of wind WTG đặt ở power statistics, 1977. cuối đường dây 393.00 Max 0.9851 0.9765 0.9737 [5] Justus CG Hargraves WR Mikhail A Lượng điện Graber D, Methods of es-timating wind áp thay đổi so với trước speed frequency distribution, 1978. khi lắp WTG 0.0036 0.0065 0.0075 [6] Ananstasios B Dimitrios C Thodoris Nhận xét: Mô ph ỏng cho thấy vị trí lắp DK, A nomogram method for estimating the WTG ảnh hưởng đáng kể lên điện áp phụ tải energy produced by wind turbine generators, lưới phân phối, sự ảnh hưởng càng lớn khi 2002. Solar En-ergy 72(3): 251-259 WTG được lắp tại nút phụ tải như trong phần [7] P. Chiradeja, Srinakharinwirot, R. 7. Ramakumar, Voltage Profile Improvement with Distributed Wind Turbine Generation - A Case Study, 2003 IEEE. V. KẾT LUẬN Đề tài đã thực hiện được: Tính toán ước lượng các thông số của phân bố gió, ước lượng công suất máy phát điện gió và điện áp của lưới phân phối đơn giản. Khảo sát vị trí lắp đặt và công suất máy phát điện gió lên điện áp lưới cho phụ tải max và min, từ đó rút ra những ảnh hưởng của máy phát điện gió lên phổ điện áp. Tài liệu tham khảo TIẾNG VIỆT [1] PGS. TS. Quyền Huy Ánh, Giáo trình Cung cấp điện, ĐHSPKT Tp. HCM, 2006. [2] Ths. Châu Minh Đaọ , PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc , Hệ thống máy phát năng lượng gió làm việc trong lưới điện với kỹ thuật tìm kiếm điểm công suất phát cực đại (MPPT), 2012 TIẾNG NƯỚC NGOÀI 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.