Luận văn Đánh giá ổn định hệ thống điện tích hợp năng lượng gió dùng bộ điều khiển luồng công suất mở rộng GUPFC (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Đánh giá ổn định hệ thống điện tích hợp năng lượng gió dùng bộ điều khiển luồng công suất mở rộng GUPFC (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC QUÍ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LUỒNG CÔNG SUẤT MỞ RỘNG GUPFC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 4 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC QUÍ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LUỒNG CÔNG SUẤT MỞ RỘNG GUPFC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THỊ MI SA Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Ngọc Quí Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25/11/1988 Nơi sinh: Vĩnh Long Quê quán: Vĩnh Long Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 34 ấp Cái Trôm- Tân Quới Trung- Vũng Liêm- Vĩnh Long Điện thoại cơ quan: Điện thoại: 0974341580 E-mail: qui251188@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Cao Đẳng chính quy Thời gian: 2006-2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao Đẳng Công Thương TPHCM Ngành học: Điện Công Nghiệp 2. Đại học: Hệ đào tạo: Đại Học chính quy Thời gian: 2010-2012 Nơi học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội. Ngành học: Kỹ thuật điện- điện tử. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2012- nay Công ty TNHH Intel products VietNam Quản lý bảo trì. I
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. 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 Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Ngọc Quí II
5. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến tiến sĩ Nguyễn Thị Mi Sa, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện- Điện tử của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, những người thầy nhiệt huyết, thiện cảm đã truyền đạt những kiến thức chuyên môn, những kinh nghiệm quý báu giúp tôi tự tin từng bước đi vào thực hiện nghiên cứu khoa học. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn ba mẹ và gia đình đã luôn ở bên tôi, động viên tôi trong suốt khóa học. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 9 năm 2015 III
6. TÓM TẮT Luận văn này nghiên cứu sự cải thiện ổn định động của một hệ thống nhiều máy phát kết nối với một trang trại gió ngoài khơi quy mô lớn dựa trên máy phát điện cảm ứng kích từ kép (DFIG) bằng cách sử dụng một bộ điều khiển luồng công suất mở rộng (GUPFC). Một hệ thống bốn máy - hai vùng được sử dụng như là hệ thống nghiên cứu với hệ nhiều máy phát. Hai bộ điều khiển giảm dao động (PID) của GUPFC được thiết kế tương ứng để cải thiện sự ổn định của hệ thống điện nhiều máy phát kết nối với trang trại gió ngoài khơi trong các điều kiện vận hành khác nhau. Một cách tiếp cận trong miền tần số dựa trên một mô hình hệ thống tuyến tính sử dụng phân tích các giá trị riêng và một phương pháp miền thời gian dựa trên mô hình mô phỏng phi tuyến dưới những sự nhiễu loạn khác nhau được thực hiện để kiểm tra tính hiệu quả của bộ GUPFC kết hợp với bộ điều khiển giảm dao động được thiết kế. IV
7. ABSTRACT This thesis studies the dynamic-stability improvement of a multi-machine system connected with a large-scale offshore wind farm based on doubly-fed induction generator (DFIG) using a generalized unified power-flow controller (GUPFC). A two area four-generator system model is employed as the studied multi machine system. Two proportional-integral-derivative (PID) damping controllers of the proposed GUPFC are respectively designed to improve the stability of the studied multi-machine power system connected with the offshore wind farm under different operating conditions. A frequency-domain approach based on a linearized system model using eigenvalue analysis and a time-domain method based on nonlinear-model simulations subject to various disturbances are both performed to examine the effectiveness of the proposed GUPFC combined with the designed damping controllers. V
8. BẢNG DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT CV Control valve DFI De fuzzier interface DFIG Doubly-fed induction generator DML Decision-making logic EMTP Electromagnetic transients program FACTS Flexible AC transmission systems FLC Fuzzy logic controller GUPFC Generalized unified power flow controller GB Gearbox GSC Grid-side converter HP High-pressure turbine IGBT Insulated gate bipolar transistor IP Intermediate-pressure turbine IPFC Interline power-flow controller IV Intercept valve KB Knowledge base LP Low-pressure turbine ODC Oscillation damping controller OMIB One-machine infinite-bus OWF Offshore wind farm PID Proportional integral derivative PMSG Permanent-magnet synchronous generators VI
9. PWM Pulse-width modulation RMS Root mean square RSC Rotor-side converter SG Synchronous generator SSSC Static synchronous series compensator UPFC Unified power flow controller VSC Voltage source converter VSWT Variable-speed wind turbine TQD Torque disturbance WT Wind turbine WECS Wind energy conversion system VII
10. DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 2.1 Cấu hình của hệ thống được dùng để nghiên cứu 10 Hình 2.2 Sơ đồ đơn tuyến của hệ bốn máy-hai vùng được nghiên cứu. 11 Hình 2.3 Sơ đồ khối của các mô hình hai trục của SG. 13 Hình 2.4 Sơ đồ khối của hệ thống kích từ IEEE loại I. 14 Hình 2.5 Mô hình tua bin hơi nước hỗn hợp ghép đôi gia nhiệt một lần. 17 Hình 2.6 Mô hình bộ điều chỉnh tốc độ cho tua bin hơi nước. 18 Hình 2.7 Sơ đồ đơn tuyến của DFIG gió được dẫn động bởi một VSWT thông qua GB. 19 Hình 2.8 Mô hình hai khối theo thứ tự giảm đã đơn giản hóa của bộ dẫn động tua bin gió (Wind turbine) WT. 23 Hình2.9 Mạch điện tương đương theo trục dq của DFIG. 24 Hình 2.10 Mô hình của bộ nghịch lưu xung đối. 25 Hình 2.11 Sơ đồ khối điều khiển của bộ điều khiển RSC 28 Hình 2.12 Hệ quy chiếu định hướng từ thông stator. 28 Hình 2.13 Sơ đồ khối của bộ điều khiển GSC. 29 Hình 2.14 Hệ quy chiếu hướng điện áp stator 30 Hình 2.15 Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển góc cánh quạt. 31 Hình 2.16. Nguyên tắc hoạt động của GUPFC với ba bộ chuyển đổi. 33 Hình 2.17 Mạch tương đương của GUPFC. 33 Hình 2.18 Sơ đồ khối điều khiển của GUPFC. 38 Hình 2.19 Tích hợp mô hình vào hệ thống 40 Hình 2.20 Chuyển đổi từ hệ quy chiếu rotor thứ i của máy phát điện sang hệ quy chiếu chung D-Q. 40 Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển góc pha αsh của GUPFC bao gồm hai bộ điều khiển PID. 42 Hình 4.1 Cấu hình của hệ thống khi không có GUPFC. 52 Hình 4.2 Cấu hình của hệ thống với GUPFC. 52 Hình 4.3 Luồng công suất của hệ thống khi không có và với GUPFC dưới sự thay dổi công suất của SG2. 58 Hình 4.4 Luồng công suất của hệ thống khi không có và với GUPFC dưới sự thay dổi công suất của SG3. 63 Hình 4.5 Luồng công suất của hệ thống khi không có và với GUPFC dưới sự thay dổi công suất của SG4. 68 VIII
11. Hình 4.6 Luồng công suất của hệ thống khi không có và có GUPFC khi có sự thay đổi điện áp đầu cực của máy phát SG2 75 Hình 4.7 Luồng công suất của hệ thống khi không có và có GUPFC khi có sự thay đổi điện áp đầu cực của máy phát SG3. 80 Hình 4.8 Luồng công suất của hệ thống khi không có và có GUPFC khi có sự thay đổi điện áp đầu cực của máy phát SG4. 85 Hình 4.9 Quỹ đạo nghiệm của chế độ dao động khi không có và có GUPFC trong điều kiện tốc độ gió khác nhau. 101 Hình 4.10 Luồng công suất của hệ thống khi không có và có GUPFC dưới điện áp phát khác nhau của DFIG 108 Hình 5.1 Trình tự khi đưa các nhiễu loạn mô-men vào bốn máy phát. 111 Hình 5.2 Phản ứng động của hệ thống dưới những nhiễu loạn mô-men trên đầu vào của máy phát khi không có và có GUPFC. 112 Hình 5.3 Phản ứng động của hệ thống dưới những nhiễu loạn mô men trên đầu vào của máy phát khi có GUPFC và GUPFC kết hợp PIDs. 115 Hình 5.4 Phản ứng quá độ của hệ thống khi có sự cố ngắn mạch ba pha tại một trong những đường dây truyền tải song song 10-11 mà không thay đổi cấu trúc mạng khi không có và với GUPFC. 118 Hình 5.5 Phản ứng quá độ của hệ thống khi có sự cố ngắn mạch ba pha tại một trong những đường dây truyền tải song song 10-11 mà không thay đổi cấu trúc mạng khi có GUPFC và GUPFC + PIDs. 120 Hình 5.6 Phản ứng quá độ của hệ thống khi có sự cố ngắn mạch ba pha tại một trong những đường dây truyền tải song song 10-11làm thay đổi cấu trúc mạng khi không có và với GUPFC 127 Hình 5.7 Phản ứng quá độ của hệ thống khi có sự cố ngắn mạch ba pha tại một trong những đường dây truyền tải song song 10-11 làm thay đổi cấu trúc mạng khi có GUPFC và GUPFC + PIDs 130 Hình 5.8 Sự thay đổi của tốc độ gió 132 Hình 5.9 Phản ứng động của hệ thống dưới sự thay đổi của tốc độ gió khi có và không có GUPFC nối với hệ thống 134 Hình 5.10 Phản ứng động của hệ thống dưới sự thay đổi của tốc độ gió khi có GUPFC và GUPFC + PIDs nối với hệ thống .136 IX
12. DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1 Giá trị riêng (rad / s) của hệ thống mà không GUPFC, GUPFC, GUPFC và thiết kế PID. 45 Bảng 4.1. Kết quả tính toán luồng công suất của hệ thống khi không có GUPFC. 50 Bảng 4.2. Kết quả tính toán luồng công suất của hệ thống khi có GUPFC. 51 Bảng 4.3. Các điểm làm việc ổn định của hệ thống khi không có và với GUPFC dưới sự thay đổi công suất tác dụng của SG2 54 Bảng 4.4. Các điểm làm việc ổn định của hệ thống khi không có và với GUPFC dưới sự thay đổi công suất tác dụng của SG3. 59 Bảng 4.5. Các điểm làm việc ổn định của hệ thống khi không có và với GUPFC dưới sự thay đổi công suất tác dụng của SG4. 64 Bảng 4.6 Điểm vận hành trạng thái ổn định của hệ thống khi không có và có GUPFC dưới điện áp đầu cực khác nhau của máy phát SG2. 71 Bảng 4.7 Điểm vận hành trạng thái ổn định của hệ thống khi không có và có GUPFC dưới điện áp đầu cực khác nhau của máy phát SG3. 76 Bảng 4.8 Điểm vận hành trạng thái ổn định của hệ thống khi không có và có GUPFC dưới điện áp đầu cực khác nhau của máy phát SG4. 81 Bảng 4.9. Các giá trị riêng (rad/s) của hệ thống khi không có GUPFC dưới tốc độ gió khác nhau. 88 Bảng4.10 Các giá trị riêng (rad/s) của hệ thống khi có GUPFC dưới tốc độ gió khác nhau. 93 Bảng 4.11 Điểm vận hành trạng thái ổn định của hệ thống khi không có và có GUPFC dưới điện áp vận hành khác nhau của máy phát điện cảm ứng kích từ kép DFIG 104 Bảng A1. Thông số hệ thống sử dụng cho hệ thống bốn máy- hai vùng: 141 BảngA2. Các thông số của hệ thống sử dụng cho đường dây truyền tải. 142 Bảng A3. Các thông số hệ thống sử dụng cho DFIG dựa trên OWF. 142 Bảng A4. Các hằng số sử dụng cho hệ số công suất của tua bin gió: 142 Bảng A5. Các thông số hệ thống sử dụng cho GUPFC. 143 X
13. MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC I LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III TÓM TẮT IV Abstract V BẢNG DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VI DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII DANH MỤC BẢNG X MỤC LỤC XI CHƯƠNG 1: 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1 1.1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài. 1 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu. 3 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về máy phát điện gió ngoài khơi dùng máy phát điện cảm ứng kích từ kép DFIG. 3 1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu về thiết bị bù GUPFC (Generalized unified power-flow controller). 6 1.3. Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu. 7 1.4. Phương pháp nghiên cứu: 7 1.5. Đóng góp và điểm mới của luận văn. 7 1.6. Nội dung của luận văn: 8 CHƯƠNG 2: 9 CẤU HÌNH VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG. 9 2.1. Cấu hình của hệ thống 9 2.2. Hệ thống bốn máy-hai vùng: 11 2.2.1. Mô hình máy phát điện đồng bộ: 12 XI
14. 2.2.2. Mô hình hệ thống kích từ: 13 2.2.3. Các mô hình bộ điều chỉnh tốc độ và tua bin hơi nước: 15 2.2.4. Mô hình turbine hơi nước: 16 2.2.5. Mô hình bộ điều chỉnh tốc độ 18 2.3. Mô hình hóa của hệ thống tua bin gió dựa trên DFIG 19 2.3.1 Cấu hình của hệ thống tua bin gió dựa trên DFIG 19 2.3.2 Mô hình tốc độ gió. 19 2.3.3 Mô hình tua bin gió: 22 2.3.4 Mô hình miêu tả mối quan hệ về khối lượng, độ đàn hồi giữa máy phát và tua bin: 22 2.3.5 Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) 24 2.3.6 Mô hình bộ nghịch lưu xung đối: 25 2.3.7 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía máy phát : 26 2.3.8 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía lưới: 28 2.3.9 Bộ điều khiển góc cánh quạt 31 2.4. Mô hình GUPFC 32 2.4.1 Mô hình toán học của GUPFC: 32 2.4.2 Bộ điều khiển luồng công suất GUPFC. 36 2.5. Phương trình mạng: 39 CHƯƠNG 3: 41 THIẾT KẾ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN GIẢM DAO ĐỘNG CHO GUPFC. 41 3.1 Thiết kế của hai bộ điều khiển dao động PID cho GUPFC: 41 CHƯƠNG 4: 48 ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG 4 MÁY- 2 VÙNG CÓ TÍCH HỢP GUPFC. 48 XII
15. 4.1. Tính toán trào lưu công suất trong điều kiện trạng thái ổn định của hệ thống. 48 4.2. Các điều kiện công suất vận hành khác nhau của máy phát điện đồng bộ. 50 4.3. Điện áp đầu cực khác nhau của các máy phát: 69 4.4. Điều kiện gió tốc độ khác nhau. 86 4.5. Điều kiện điện áp vận hành khác nhau của máy phát điện cảm ứng kích từ kép DFIG. 103 CHƯƠNG 5: 109 MÔ PHỎNG TRONG MIỀN THỜI GIAN 109 5.1 Nhiễu loạn trên mômen cơ đầu vào của máy phát điện đồng bộ. 110 5.2. Sự cố ngắn mạch 3 pha tại đường dây truyền tải, không thay đổi cấu trúc hệ thống. 117 5.3. Sự cố ngắn mạch ba pha tại đường dây truyền tải với việc thay đổi cấu trúc mạng. 122 5.4 Sự thay đổi của tốc độ gió: 128 CHƯƠNG 6: 133 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 133 6.1 Kết luận: 133 6.2 Hướng phát triển đề tài: 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 135 PHỤ LỤC 141 XIII
16. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài. Sự ổn định hệ thống điện được xem như là một vấn đề quan trọng đối với vận hành an toàn hệ thống điện từ những năm 1920 [1]. Nhiều sự cố mất điện lớn có nguyên nhân do sự không ổn định của hệ thống điện đã mô tả sự quan trọng của vấn đề này [2]. Trong lịch sử, sự không ổn định do quá độ đã trở thành vấn đề ổn định chiếm ưu thế lớn của hầu hết các hệ thống điện. Khi các hệ thống điện đã phát triển tiến hóa thông qua 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 dạng bất ổn định hệ thống khác nhau đã xuất hiện. Ví dụ như sự ổn định điện áp, sự ổn định tần số và các dao động ở nhiều khu vực đã trở thành những vấn đề lớn hơn so với trong quá khứ. Điều khiển ổn định hệ thống điện là một nhiệm vụ quan trọng trong vận hành hệ thống điện [3]. Nhiều hệ số như nhiễu loạn bên ngoài hay mô men cơ học bên trong, dễ dàng tác động đến ổn định hệ thống. Với các vấn đề môi trường toàn cầu và sự thiếu hụt của nhiên liệu hóa thạch, nhu cầu của năng lượng tái tạo tăng lên từng ngày. Giữa các công nghệ năng lượng tái tạo đang phát triển mãnh liệt, công nghệ tua bin gió đã và đang trãi qua một sự phát triển mạnh mẽ và hiện nay đã trở thành nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất thế giới. Từ 2010 trở về sau, tỷ lệ công suất gió tăng trưởng hàng năm là 20% sẽ dẫn đến kết quả là tổng 1.2 triệu MW được lắp đặt đến cuối năm 2020. Nó sẽ tạo ra 2.966 TW điện mỗi giờ, tương đương với 10,85% lượng tiêu thụ điện mong đợi của cả thế giới [4]. Châu Âu đã tiếp tục chiếm ưu thế trong thị trường toàn cầu trong năm 2004, 72,4% của công suất lắp đặt mới (5.774 MW). Châu Á đã có thị phần công suất lắp đặt ở mức 15,9% (1.269 MW), theo sau là Bắc Mỹ 1
17. (6.4%; 512 MW) và khu vực Thái Bình Dương là (4.1%; 325 MW). Châu Mỹ La tinh cộng với Caribê là (49 MW) và Châu Phi (47 MW) với thị phần 0,6%. Đan mạch hiện tại sản xuất ra 20% nguồn năng của nước này nhờ nguồn năng lượng lượng gió và đang nhắm đến mức 50% thị phần sản lượng điện gió năm 2025. Sự gia tăng đáng kể mức độ thâm nhập của phát điện gió vào hệ thống điện như một nguồn điện thực sự, đã nhận được sự chú ý lớn. Một trong những vấn đề chính liên quan đến sự thâm nhập ở mức độ cao của các tua bin gió tích hợp là sự tác động của nó lên sự ổn định hệ thống điện. Vì mức độ thâm nhập của nguồn điện gió trong hệ thống điện tăng lên, hiệu suất tổng của hệ thống sẽ có tác động tăng dần bởi các đặc tính vốn có của các máy phát điện gió. Trong điều kiện các máy phát điện cảm ứng (Induction Generators) (IGs) dung lượng khá cao kết nối với các lưới điện tương đối yếu, những bất ổn định điện áp có khả năng xảy ra. Mối nguy hiểm liên quan đến sụp đổ điện áp xuất hiện từ bản chất của các IG, mà có thể tiêu thụ một lượng lớn công suất phản kháng khi tốc độ của nó lệch nhẹ so với tốc độ đồng bộ, ví dụ như, thời gian phục hồi điện áp sau một sự cố tạm thời trong các hệ thống điện. Do đó, có thể cần thiết tăng cường hệ thống điện với các đường dây truyền tải mới hay thiết bị mới, mà đồng nghĩa với việc tăng chi phí. Với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn công suất cao, điện áp cao, và công nghệ điều khiển điện tử công suất tốc độ cao, các thiết bị Hệ Thống Truyền Tải AC linh hoạt (Flexible AC transmission systems) (FACTS) có hiệu suất cao trong việc cải thiện cả tính ổn định và việc giảm dao động của một hệ thống điện thông qua điều khiển động đường cong quan hệ giữa góc-công suất của các hệ thống được kết nối [5]. Do sự đáp ứng nhanh của nó, những thiết bị này được dùng để điều chỉnh tự động cấu hình mạng điện để nâng cao đặc tính ổn định tĩnh cũng như ổn định động [6]. Có nhiều dạng thiết bị FACTS khác nhau, một số được mắc nối tiếp với đường dây và những cái còn lại được mắc song song hoặc kết hợp giữa mắc song song và nối tiếp. Mô tả chi tiết của các thiết bị FACTS khác nhau bao gồm các nguyên tắc hoạt động có thể được tìm thấy trong [7]. 2
18. Một phương pháp tiếp cận mới để sử dụng các bộ điều khiển FACTS cho việc cung cấp sự quản lý dòng công suất đa chức năng được đề xuất trong [8]. Có rất nhiều khả năng có thể của các cấu hình vận hành bằng cách kết hợp một cách linh hoạt hai hay nhiều bộ nghịch lưu. Giữa các cách kết hợp đó, có hai cấu hình vận hành mới, là bộ điều khiển dòng công suất trên mỗi nhánh (Interline powerflow controller) (IPFC) và bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất suy rộng (Generalized unified power flow controller) (GUPFC) [9], mà mở rộng đáng kể khả năng điều khiển dòng công suất của nhiều đường dây hay một mạng điện con hơn là chỉ điều khiển dòng công suất của nhiều đường dây đơn so với một bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (unified power-flow controller) (UPFC) [10] hay thiết bụ bù tĩnh đồng bộ nối tiếp (Static synchronous series compensator) (SSSC) [11]. GUPFC đã được nghiên cứu rộng rãi trong các tài liệu kỹ thuật và được chứng tỏ rằng nó đã nâng cao đáng kể sự ổn định của hệ thống. Bởi vậy, luận văn này dùng thiết bị này và đề xuất mô hình điều khiển mới để nâng cao đáp ứng động của một hệ thống điện nhiều máy điển hình. Các phương pháp điều khiển khác nhau của thiết bị FACTS đã được đề xuất cho việc giảm dao động công suất và sự cải thiện tính ổn định quá độ [12]. Một phương pháp điều khiển giảm dao động phổ biến là sử dụng một bộ lọc cùng một bộ điều khiển sớm-trễ pha bậc m [13]. Nhìn chung, các thông số của một bộ điều khiển sớm-trễ pha được thiết kế bằng cách sử dụng phương pháp vị trí cực-zero [14-15]. Các hệ thống điện hiện đại có quy mô lớn và phức tạp. Bởi vậy, khả năng của các luật điều khiển truyền thống dựa trên những mô hình tuyến tính hóa bị giới hạn. 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu. 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về máy phát điện gió ngoài khơi dùng máy phát điện cảm ứng kích từ kép DFIG. Trong các máy phát điện gió khác nhau như là máy phát điện cảm ứng (Induction Generators) IG, DFIG, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (permanent-magnet synchronous generator) (PMSG), máy phát điện đồng bộ 3
19. (synchronous generator) (SG) , tua bin gió dựa trên DFIG hiện tại là một trong những hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi phổ biến nhất, do hiệu suất được cải tiến của nó, cũng như giảm tỷ lệ chuyển đổi công suất, giảm chi phí và giảm tổn thất, thực hiện dễ dàng việc điều chỉnh hệ số công suất, sự vận hành với tốc độ thay đổi, khả năng điều khiển cả bốn góc phần tư của công suất tác dụng và phản kháng [16-17]. Việc sử dụng các DFIG đang nhận nhiều chú ý đối với hệ thống phát điện gió nối lưới, trong đó điện áp và tần số đầu cực được xác định bởi lưới điện [18]. Một cấu hình thực hiện bằng cách sử dụng bộ nghịch lưu xung đối tại mạch rotor và thực hiện điều khiển véc tơ. Điều này cho phép tua bin gió vận hành trên một phạm vi tốc độ gió rộng và do đó tối đa việc sản xuất năng lượng hàng năm. Nói chung, các cuộn dây stator của một DFIG được mắc trực tiếp với lưới điện và các cuộn dây rotor được cấp điện thông qua các bộ nghịch lưu nguồn áp (Pulse-width modulation) PWM đa chiều (voltage-source converters) (VSCs) để điều khiển công suất ngõ ra rotor và stator cấp điện cho lưới điện, vận hành ở tốc độ thay đổi [19-20]. Có thể điều khiển việc bơm dòng điện rotor bằng cách sử dụng các bộ chỉnh lưu điện tử có thể điều khiển hoàn toàn để đảm bảo sự vận hành hiệu quả dưới các chế độ vận hành dưới tốc độ đồng bộ và quá tốc độ đồng bộ [19]. Trong một máy phát điện DFIG, cả các cuộn dây rotor và stator có thể cung cấp công suất tác dụng, nhưng chiều của dòng công suất qua mạch điện rotor lệ thuộc vào tốc độ gió và theo tốc độ máy phát điện. Khi dưới tốc độ đồng bộ, công suất tác dụng đi từ lưới điện đến phía rotor và bộ biến tần phía rotor (Rotor side converter) (RSC) hoạt động giống như bộ nghịch lưu nguồn áp trong khi bộ nghịch lưu phía lưới (Grid side converter) (GSC) hoạt động giống như một bộ chỉnh lưu. Tuy nhiên, khi DFIG vận hành trên tốc độ đồng bộ, RSC hoạt động như bộ chỉnh lưu và GSC hoạt động như bộ nghịch lưu. Bộ chỉnh lưu điều khiển chỉ khoảng 25% công suất định mức của máy điện trong khi phạm vi dao động tốc độ là 33% quanh tốc độ đồng bộ [19]. Một chiến lược điều khiển hiệu quả liệt kê các đặc tính động của một tua bin gió tốc độ thay đổi dựa trên DFIG và sự vận hành 4
20. của bộ chỉnh lưu trong chế độ vận hành dưới đồng bộ và quá đồng bộ suốt chu kỳ chuyển tiếp giữa hai chế độ. Mô hình điều khiển véc tơ được đề xuất trong [21], đã thực hiện trong RSC, có thể tách đôi việc điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của một DFIG. Mô hình điều khiển độ lớn và góc của từ thông rotor được trình bày trong [22] đã cung cấp cho DFIG một đặc tính động tương tự như của một SG thông thường. Tác động của các máy phát điện tua bin gió về động lực học hệ thống được nghiên cứu trong [23-24]. Trong [25], những ảnh hưởng của các thông số hệ thống, điểm vận hành và công suất lưới trên các đặc tính theo chế độ của một máy với hệ thống bus vô tận (one-machine-infinite-bus) (OMIB) bằng cách sử dụng một DFIG đã được nghiên cứu đến. Ảnh hưởng của các nhà máy điện gió lên các chế độ dao động của một hệ thống điện bốn máy- hai vùng được nghiên cứu trong [26]. Ý tưởng trình bày trong [27] chủ trương rằng các loại máy phát điện được sử dụng trong tua bin gió đã không tham gia vào các dao động hệ thống điện. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu được tiến hành trong [28] chỉ ra rằng đã có những tác động bất lợi và có lợi của việc tăng mức độ thâm nhập DFIG vào sự ổn định quá độ và sự ổn định tín hiệu bé liên quan đến hiệu suất. Tài liệu tham khảo [29-30] nghiên cứu thiết kế của bộ điều khiển cho một máy DFIG nhằm giảm dao động của hệ thống.Trong [29], các tham số trong những mạch điện điều khiển công suất và điện áp (PV) cho một DFIG đã được tối ưu hóa bởi giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (particle swarm optimization) (PSO), dựa trên một hệ thống một máy phát và bus vô tận (One-machine-infinite-bus – OMIB). Một vòng điều khiển giảm dao dộng thêm vào cho một DFIG đã được đề xuất trong [30] và các thông số của bộ điều khiển PV và bộ điều khiển giảm dao động đã được điều chỉnh bởi một giải thuật dựa trên cách phối hợp sự tìm kiếm thức ăn của vi khuẩn. Hơn nữa, sự chắc chắn của bộ điều khiển giảm dao động này dưới các chế độ hoạt động khác nhau của DFIG được nghiên cứu trong [31]. Trong [16], một vòng điều khiển giảm dao động bổ sung được thiết kế để cung cấp một tín hiệu giảm dao động cho bộ điều khiển công suất tác dụng của một DFIG 5
21. trong một hệ thống bốn máy-hai vùng điển hình.Vòng điều khiển giảm dao động được tổng hợp bằng cách sử dụng các phương pháp đáp ứng tần số. 1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu về thiết bị bù GUPFC (Generalized unified power-flow controller). GUPFC đã được đề xuất để thực hiện việc điều khiển dòng công suất đồng thời của một vài nhánh dây và nâng cao sự ổn định hệ thống điện [32]. Kết hợp ba hoặc nhiều bộ chuyển đổi công suất làm việc cùng nhau, GUPFC mở rộng khái niệm điều khiển dòng công suất và điện áp vượt ra ngoài những gì có thể đạt được với bộ điều khiển UPFC đã được biết đến mà chỉ sử dụng hai bộ chuyển đổi công suất. GUPFC có thêm lợi thế và điều khiển linh hoạt hơn một UPFC điển hình. Tuy nhiên, rất ít tài liệu dành cho GUPFC với hơn ba chuyển đổi và các ứng dụng thực tế trong hệ thống công sức thực. Với các ứng dụng thực tế của GUPFC trong hệ thống điện, một số các công trình nghiên cứu về GUPFC đã được thực hiện trong những năm gần đây [33]- [35], hầu hết trong số đó đã tập trung vào thiết kế bộ điều khiển cho GUPFC. Chỉ một vài ấn bản đã tập trung vào mô hình toán học trong phân tích hệ thống điện. Một mô hình cơ bản thường dùng của GUPFC bao gồm một bộ chuyển đổi công suất mắc song song và hai bộ chuyển đổi công suất mắc nối tiếp được đề xuất trong [34]. Trong khi mô hình hóa GUPFC trong việc phân tích dòng công suất và dòng công sức tối ưu (OPF) được đề xuất trong [33]. Trong [35], chỉ có mô hình GUPFC trong nghiên cứu dòng tải được xét đến. Trong [34], mô hình GUPFC dành cho mô phỏng chương trình quá độ điện từ (EMTP) đã được báo cáo và các kết quả thực nghiệm đã được đưa ra trên một hệ thống khá đơn giản. Một mô hình GUPFC với sự điều khiển điện áp, điều khiển dòng công suất tác dụng và điều khiển dòng công suất phản kháng đã được đề xuất và được thực hiện thành công với một thuật toán dòng công suất tối ưu [33]. Về cơ bản, UPFC là một bộ điều khiển FACTS với hai bộ chuyển đổi mắc nối tiếp và mắc song song, đã được công nhận là có khả năng điều khiển dòng công suất và điện áp tốt hơn, vượt ra ngoài những gì có thể đạt được bởi một điều khiển 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4