Nghiên cứu nâng cao ổn định điện áp sử dụng thiết bị SVC cho hệ thống hỗn hợp gió-diesel Phú Quý

Nội dung text: Nghiên cứu nâng cao ổn định điện áp sử dụng thiết bị SVC cho hệ thống hỗn hợp gió-diesel Phú Quý

1. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP SỬ DỤNG THIẾT BỊ SVC CHO HỆ THỐNG HỖN HỢP GIÓ – DIESEL PHÚ QUÝ RESEARCH OF ENHANCING VOLTAGE STABILITY USING SVC EQUIPMENT FOR MIXED SYSTEM OF WIND – DIESEL PHU QUY (1)TRƢƠNG ĐÌNH NHƠN, (2) NGUYỄN KHÁNH AN (1) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuậtTp. Hồ Chí Minh (2) Học viên cao học Kỹ thuật điện, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh TÓM TẮT Bài báo này tập trung vào nghiên cứu ổn định điện áp của một hệ thống máy phát điện hỗn hợp diesel và gió bị cô lập bằng cách tăng sự thâm nhập của năng lượng gió để giảm số lượng các máy phát điện diesel và nâng cao ổn định điện áp khi sử dụng thiết bị SVC cho hệ thống hỗn hợp gió – deisel ở đảo Phú Quí, tỉnh Bình Thuận, Việt Nam. Hệ thống bao gồm 6 x 0,5-MW máy phát điện đồng bộ diesel (SG) và 3 x 2-MW máy phát điện cảm ứng nguồn đôi dựa trên tuabin gió (DFIG) kết nối với lưới cô lập địa phương 22-kV. Kết quả mô phỏng cũng được thực hiện trong phần mềm Matlab và PSAT để kiểm tra sự ổn định của hệ thống điện áp với mức độ thâm nhập năng lượng gió khác nhau. Có thể nhìn thấy từ kết quả mô phỏng rằng hệ thống điện áp có thể được duy trì ổn định với các điều kiện tốc độ gió khác nhau. Từ khóa: Máy phát điện đồng bộ diesel, Máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG), ổn định điện áp. ABSTRACT This paper focuses on voltage stability study of an isolated hybrid diesel and wind generators system by increasing the penetration of the wind power in order to reduce the number of diesel generators and research of enhancing voltage stability using SVC equipment for mixed system of wind – diesel in Phu Qui Island, Binh Thuan province, Vietnam. The system includes 6 x 0.5-MW diesel synchronous generator (SG) and 3 x 2-MW wind turbine-based doubly fed induction generator (DFIG) interconnected to the local 22-kV isolated grid. Simulation results are also performed in Matlab and PSAT software to test the stability of the voltage system with different wind energy penetration levels. It can be seen from simulation results that the voltage system can be maintained stable with the different wind speed conditions. Keywords: Diesel synchronous generators, wind turbine-based doubly fed induction generator (DFIG), voltage stability. I. GIỚI THIỆU máy đầu tiên tại Việt Nam sử dụng cả năng Các trang trại gió 6 MW bao gồm 3 x 2- lƣợng gió và dầu diesel để phát điện. Nhà MW máy phát điện cảm ứng nguồn đôi máy điện gió này dự kiến sẽ cung cấp trung bình 25.4 triệu (DFIG) tuabin gió ở đảo Phú Quí là nhà 1
2. Hình 1.1.Sơ đồ đơn tuyếncủa lưới điện cô lập ở đảo Phú Quí kWh điện mỗi năm, đủ để đảm bảo nhu cầu Từ nhu cầu điện năng ở Hình 2 với các phụ hàng ngày trên đảo Phú Quí. Cấu hình của tải đỉnh là khoảng 2,4 MW nhỏ hơn so với lƣới điện ở đảo Phú Quí đƣợc mô tả trong công suấtlắp đặt do đó chế độ hoạt động Hình 1. Trong đó, có 36 bus bao gồm cả hai đƣợc thiết lập nhƣ sau[2]: nguồn cung cấp điện chính 3 x 2-MW máy - 50% năng lƣợng từ gió và 50% năng năng phát điện tuabin gió Vestas V80 và 6 x 0,5 từ động cơ diesel trong trƣờng hợp tải lớn MW máy phát điện diesel Cummins kết nối hơn và bằng 1.1-MW. với lƣới cô lập 22 kV và 34 bus tải. Mỗi - Khi tải nhỏ hơn 1,1 MW và tốc độ gió lớn máy phát điện tuabin gió bao gồm một hơn 7,2 m/s tỷ lệ điện năng đƣợc tạo ra giữa DFIG 2000 kW với điện áp đầu cực là 0,69 máy phát điện gió và máy phát điện diesel kV; một máy biến áp 2100 kVA-22/0.69- tƣơng ứng là 70% và 30%,. kV, một máy cắt 0,69 kV; các bộ chỉnh lƣu, Bài viết này tập trung vào việc tăng mức các hệ thống điều khiển bảo vệ và liên lạc độ thâm nhập của năng lƣợng gió vào hệ [1]. thống để giảm lƣợng điện năng đƣợc tạo ra Bên cạnh đó, trong một hệ thống điện cô từ các máy phát điện diesel để giảm giá lập, máy phát điện diesel thƣờng đƣợc sử điện và khảo sát lắp đặt thiết bị bù SVC tại dụng để tạo ra điện vì chúng có thể đáp ứng bus có điện áp thấp nhất trên hệ thống, để các yêu cầu cơ bản từ các tiêu chuẩn hệ nâng cao ổn định điện áp cho lƣới điện trên thống điện nhƣ yêu cầu về tần số, về điều đảo Phú Quý. khiển điện áp, cũng nhƣ nhanh chóng đáp II. CÁC TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU ứng với sự thay đổi tải. Tuy nhiên, nhƣợc 2.1. Nâng cao suất thâm nhập điện gió điểm chính của máy phát điện diesel là nó vào lưới phải chạy với ít nhất 30% công suất danh Lƣới điện trên đảo Phú Quý trong Hình định. 1.1 cũng đƣợc mô hình hóa mô phỏng nhằm Trong thực tế, tổng công suất của máy mục đích xác định độ ổn định điện áp khi phát điện gió cao hơn so với tổng công suất thay đổi độ thâm nhập của máy phát điện của máy phát điện diesel. Do các máy phát gió trong một hệ thống điện độc lập kết hợp điện gió là DFIG, nên trong một hệ thống điện gió – diesel. cô lập các máy phát điện diesel phải đƣợc Với các chế độ hoạt động nêu trong phần vận hành cùng với các máy phát điện gió. tổng quan ở trên, khi tải lớn hơn 1100 kW 2
3. việc chia sẻ công suất giữa các máy phát trong bộ công cụ PSAT để kiểm tra đáp ứng điện diesel và gió tƣơng ứng là 50% và của hệ thống Kết quả mô phỏng 50%. Có thể thấy rằng công suất điện tạo ra Theo các giá trị của nhu cầu năng lƣợng của trang trại gió là rất nhỏ so với công suất thể hiện trong thực tế của Phú Quý hiện đặt 6 MW. Vì vậy, bài báo này nghiên cứu nay, ta chọn công suất của hệ thống phụ tải về việc tăng mức độ thâm nhập của năng là 2,2 MW ( công suất phụ tải trong tháng lƣợng gió trong lƣới điện cô lập ở đảo Phú 6). Mức năng lƣợng này đƣợc lựa chọn để Quý. Kết quả mô phỏng đƣợc thực hiện thực hiện mô phỏng với các mức độ thâm nhập năng lƣợng gió khác nhau. Voltage Profile 1.05 1 0.95 0.9 V [p.u.] 0.85 0.8 0.75 0 5 10 15 20 25 30 35 Bus number Hình 2.1.Điện áp tại 36 bus phụ tải Real Power Profile 1.25 1 0.75 [MW] L 0.5 - P G P 0.25 0 -0.25 0 5 10 15 20 25 30 35 Bus # Hình 2.2.Công suất tác dụng của các máy phát điện (dương) và tải (âm) Qua hình 2.1 cho thấy điện áp tại tất cả Để kiểm tra mức độ thâm nhập của năng các bus và Hình 2.2 cho thấy công suất tác lƣợng gió vào hệ thống điện, trong những dụng của các máy phát điện (bus 1 là các trƣờng hợp nghiên cứu này, công suất điện máy phát điện turbine gió và bus 7 cho máy từ máy phát điện turbine gió tăng lên từ 1,1 phát điện diesel) và tải. Với công suất điện MW đến 1,8 MW và công suất điện từ máy tạo ra của máy phát điện diesel là 50% và phát điện diesel giảm từ 1,1 MW đến 0,4 máy phát điện turbine gió là 50%. Có thể MW tƣơng ứng với các bƣớc thay đổi là 0,1 thấy rằng điện áp tại mỗi bus đã đáp ứng MW. Kết quả mô phỏng đƣợc vẽ trong yêu cầu về điện áp biên (± 5%). Hình 2.3. Voltage Profile 1.05 1 0.95 0.9 V [p.u.] 0.85 0.8 0.75 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bus number 3
4. Voltage Profile 1.05 1 0.95 0.9 V [p.u.] 0.85 0.8 0.75 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Bus number Voltage Profile 1.05 1 0.95 0.9 V [p.u.] 0.85 0.8 0.75 21 22 23 24 25 26 27 28 Voltage29 Profile 30 1.05 Bus number Voltage Profile 1.05 1 1 Pw = 1.1-MW 0.95 0.95 Pw = 1.2-MW Pw = 1.3-MW 0.9 0.9V [p.u.] Pw = 1.4-MW 0.85 V [p.u.] Pw = 1.5-MW 0.85 0.8 Pw = 1.6-MW 0.75 Pw = 1.7-MW 0.8 31 32 33 34 35 36 37 Bus number Pw = 1.8-MW 0.75 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hình 2.3. Biên dạng điện áp tại 36 bus với các mức độ thâm nhập năngBus lư numberợng gió khác nhau Qua kết quả mô phỏng ở Hình 2.3 điện phỏng cho tất cả các tình huống vận hành, áp tại mỗi bus trong 8 trƣờng hợp nghiên sự thâm nhập của năng lƣợng gió có thể cứu đƣợc trình bày. Tuy nhiên, trong trƣờng đƣợc cải thiện lên đến 70% để cung cấp hợp cuối cùng khi năng lƣợng gió tăng lên điện cho lƣới điện. Có thể kết luận rằng hệ đến 1,8 MW, điện áp tại bus 26 và 27 bus thống điện áp có thể đƣợc duy trì ổn định giảm dƣới 0,95 pu. Để giải quyết tình trạng với các điều kiện về tốc độ gió khác nhau. này, các thiết bị dãy tụ điện cố định hoặc 2. Dùng thiết bị SVC để nâng cao ổn định FACTS có thể đƣợc sử dụng để bù điện áp điện áp cho lưới điện Phú Quý tại các bus để nâng cao biên độ điện áp. Từ Trong quá trình mô phỏng, để đánh giá kết quả mô phỏng chúng ta có thể thấy rằng hiệu quả của giải pháp dùng thiết bị bù khi nhu cầu phụ tải cao hơn 1,1 MW, mức công suất phản kháng SVC để nâng cao độ thâm nhập của năng lƣợng gió có thể chất lƣợng điện áp của các nút phụ tải trên đƣợc cải thiện lên đến 77% (ví dụ 1,7 MW lƣới điện hiện có của đảo Phú Quý, một của 2,2 MW). thiết bị SVC đƣợc đƣa vào lƣới và lắp đặt Nhận xét: Mô phỏng độ ổn định điện áp tại nút số 14 nhƣ nhận xét trong phần trƣớc. trên hệ thống điện độc lập hỗn hợp gió – Các trƣờng hợp mô phỏng trong phần trƣớc diesel bằng bộ công cụ PSAT đã trình bày sẽ đƣợc thực hiện lại với sự có mặt của nghiên cứu về ổn định điện áp của một hệ SVC để đánh giá tác động của SVC trên thống máy phát điện cô lập hỗn hợp giữa lƣới điện. Đây là cơ sở quang trọng để đánh diesel và gió bằng cách tăng cƣờng sự thâm giá giải pháp nâng chất lƣợng điện áp bằng nhập của năng lƣợng gió vào hệ thống. Nó SVC trên lƣới điện Phú Quý. Quá trình mô có thể đƣợc nhìn thấy từ các kết quả mô phỏng cho trƣờng hợp có gắn SVC, ta sẽ 4
5. mô phỏng cho trƣờng hợp vận tốc gió đạt Hình 2.5 về độ sai lệch giữa các nút và nút 10 m/s và tổng công suất phụ tải thay đổi có điện áp thấp nhất trên lƣới. lần lƣợt đạt 1100 kW, 2200 kW và 4000 b) Mô phỏng khi tổng công suất phụ tải kW. đạt 2200 kW a) Mô phỏng khi tổng công suất phụ tải Khi tổng công suất phụ tải đạt 2200 kW đạt 1100 kW thì kết quả thu đƣợc nhƣ thể hiện trong Khi tổng công suất phụ tải đạt 1100 kW Hình 2.6. Hình 2.6 thể hiện điện áp tại các thì kết quả thu đƣợc nhƣ thể hiện trong nút phụ tải khi công suất phụ tải đạt 2200 Hình 2.4. Hình 2.4 thể hiện điện áp tại các kW và vận tốc gió đạt 10 m/s. nút phụ tải khi công suất phụ tải đạt 1100 kW và vận tốc gió đạt 10 m/s. Hình 2.6. Điện áp nút phụ tải tại công suất 2200 kW Hình 2.4.Điện áp nút phụ tải tại công suất 1100 kW Hình 2.7.Sai số giữa các nút phụ tải tại công suất 2200 kW Qua kết quả mô phỏng, nhận thấy rằng Hình 2.5.Sai số giữa các nút phụ tải tại mặc dù công suất phụ tải nhỏ nên sự tác công suất 1100 kW động của SVC là không rõ rệt, tuy nhiên sự Qua kết quả mô phỏng, nhận thấy rằng cải thiện về điện áp trên các nút là có thể mặc dù công suất phụ tải nhỏ nên sự tác nhận thấy đƣợc khi có sự tham gia của SVC động của SVC là không rõ rệt, tuy nhiên sự thì độ võng điện áp (độ sụt áp giữa các nút cải thiện về điện áp trên các nút là có thể gần nhau) đã giảm đi đáng kể trên nhánh có nhận thấy đƣợc khi có sự tham gia của SVC gắn SVC. Hay nói cách khác, chất lƣợng thì độ võng điện áp (độ sụt áp giữa các nút điện áp đã đƣợc cải thiện đáng kể. Sự cải gần nhau) đã giảm đi đáng kể trên nhánh có thiện này sẽ đƣợc thể hiện rõ ràng trong gắn SVC. Hay nói cách khác, chất lƣợng Hình 2.7 về độ sai lệch giữa các nút và nút điện áp đã đƣợc cải thiện đáng kể. Sự cải có điện áp thấp nhất trên lƣới. thiện này sẽ đƣợc thể hiện rõ ràng trong c) Mô phỏng khi tổng công suất phụ tải đạt 4000 kW 5
6. Khi tổng công suất phụ tải đạt 4000 kW này sẽ đƣợc thể hiện rõ ràng trong hình 2.9 thì kết quả thu đƣợc nhƣ thể hiện trong về độ sai lệch giữa các nút và nút có điện áp Hình 2.8. Hình 2.8 thể hiện điện áp tại các thấp nhất trên lƣới. nút phụ tải khi công suất phụ tải đạt 4000 Nhận xét: kW và vận tốc gió đạt 10 m/s. Qua mô phỏng, với sự tham gia của SVC đã đem lại một hệ thống điện có tính ổn định cao hơn với việc giảm độ sụt áp giữa các nút phụ tải. Hệ thống hoạt động gần với giá trị điện áp danh định của lƣới điện hơn, điều này sẽ không tác động tiêu cực đến hoạt động của phụ tải tiêu thụ điện. Về lâu dài, sự góp mặt của SVC là cần thiết khi nhu cầu phụ tải ngày càng tăng lên nhanh chóng, lúc này muốn nâng cao chất Hình 2.8.Điện áp nút phụ tải tại công suất lƣợng điện năng thì không thể không sử 4000 kW dụng các thiết bị bù công suất phản kháng, mà chi phí rẻ nhất là SVC. Qua dạng sóng điện áp thu đƣợc, nhận thấy lƣới điện vận hành khá ổn định. Sau quá trình quá độ khi khởi động hệ thống điện, điện áp của hệ thống điện đã ổn định trở lại và giữ nguyên trong suốt quá trình hoạt động bình thƣờng. Khi có sự tham gia của SVC thì điện áp tại các phụ tải có sự ổn định nhanh hơn. Hình 2.9. Sai số giữa các nút phụ tải tại Đây là một trong những chức năng chính công suất 4000 kW khi quyết định sử dụng SVC trong lƣới Qua kết quả mô phỏng, nhận thấy rằng điện. Với việc cung cấp công suất phản khi có SVC thì điện áp nút đƣợc cải thiện kháng cho lƣới điện, SVC tham gia ổn định so với khi không có SVC. Sự cải thiện này cho lƣới bằng việc bơm vào hay rút ra một khá đáng kể, nguyên nhân là do khi công lƣợng công suất phản kháng để ổn định suất tăng lên thì nguồn cung công suất phản điện áp cho lƣới. kháng đổ dồn về cho máy phát điện diesel III. KẾT LUẬN vì máy phát điện gió hầu nhƣ chỉ phát công Sự thâm nhập của năng lƣợng gió có suất tác dụng và không phát công suất phản thể đƣợc cải thiện lên đến 70% để cung kháng (hệ số công suất vào khoảng 0,98). cấp điện cho lƣới và hệ thống điện áp có Việc này làm cho máy phát diesel hoạt thể duy trì ổn định với các điều kiện gió động không hiệu quả, làm tụt áp lớn trên khác nhau lƣới điện. Qua giá trị điện áp nút các phụ tải thu Qua kết quả mô phỏng, nhận thấy rằng đƣợc qua mô phỏng, vị trí để đặt SVC đƣợc ngoài việc nâng cao điện áp các nút phụ tải xác định một cách trực quan, mang tính về điện áp danh định của lƣới điện thì SVC khoa học và có tính thuyết phục cao. Đây là đã cải thiện chất lƣợng điện áp một căn cứ quang trọng để đề xuất vị trí lắp bằngcáchgiảm thiểu độ sụt áp giữa các nút đặt SVC khi có nhu cầu nâng cao chất phụ tải trên nhánh có gắn SVC. Sự cải thiện 6
7. lƣợng điện áp lƣới điện Phú Quý trong [1] Vestas, “V80 952732 - main single line tƣơng lai.Qua mô phỏng đã chứng minh diagram”. đƣợc tính hiệu quả khi sử dụng SVC cho [2] AMEC, “Hƣớng dẫn vận hành hệ thống nhiệm vụ nâng cao độ ổn định điện áp lƣới điều khiển hỗn hợp nhà máy phong điện điện trên đảo Phú Quý. Từ kết quả này, có Phú Quý”. thể đề xuất với các cơ quan quản lý giải [3] F. Milano, “Power System Analysis pháp nâng cao chất lƣợng điện áp lƣới điện Toolbox: Quick Reference Manual for khi công suất phụ tải tăng lên trong tƣơng PSAT” version 2.1.2, June 26, 2008. lai gần. [4] F. Milano, Power System Modelling TÀI LIỆU THAM KHẢO and Scripting, Springer: Springer-Verlag London Limited, 2010. Thông tin liên hệ tác giả chính (ngƣời chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nguyễn Khánh An Đơn vị: Học viên cao học, Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp. HCM Điện thoại: 0909479330 Email: nkan@dnbt.edu.vn 7
8. 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.