(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Minh Chơn iii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật Nhiệt với đề tài “Nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống lƣợng gió lƣợng mặt trời” kết trình học tập, nghiên cứu thân giúp đỡ, động viên khích lệ thầy, bạn bè đồng nghiệp người thân Qua trang viết tác giả xin gửi lời cảm ơn tới người giúp đỡ thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua Tơi ln kính trọng biết ơn sâu sắc thầy giáo TS Trương Đình Nhơn quý thầy cô môn Nhiệt điện lạnh trực tiếp tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học Cuối xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị cơng tác giúp đỡ tơi q trình học tập thực Luận văn TÁC GIẢ iv TÓM TẮT Nội dung luận văn nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống điện tích hợp lượng gió lượng mặt trời Trong giải pháp đề xuất kết nối hai hệ thống thông qua hệ thống bus chiều (DC) chung Năng lượng gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) lượng mặt trời sử dụng pin quang điện (PV) Lợi ích giải pháp nguồn phát điện khác nối vào vị trí hệ thống điện chiều nhằm tăng tính linh hoạt việc mở rộng hệ thống điện Bộ điều khiển PID cho nghịch lưu thiết kế dựa phương pháp gán cực để tăng độ ổn định cho hệ thống Kết mô miền thời gian dựa vào mơ hình phi tuyến hệ thống cho cố vĩnh viễn bus DC hệ thống thực để đánh giá độ ổn định hệ thống nghiên cứu Có thể kết luận từ kết mô rằng, điều khiển PID phù hợp để điều khiển nghịch lưu nhằm tăng độ ổn định cho hệ thống tích hợp lượng gió lượng mặt trời sử dụng bus DC chung ABSTRACT The content of the thesis is proposes an integrated renewable power generation system including wind power and solar power which are connected to a commercial power system through the same DC bus The wind power generators are based on the Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) while solar power is using Photovoltaic (PV) cells Different power sources can be interconnected anywhere on the same DC power line, leading to flexible system expansion PID controller is designed by using pole assignment technique A time-domain scheme based on a nonlinear system v model subject to a permanent DC fault in one of the DC links are systematically performed to evaluate the dynamic stability of the studied power system It can be concluded from the simulation results that the design PID controller is suitable for controlling the inverter to improve the stability of the hybrid wind and solar energy through the common DC bus vi MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục vii Các ký hiệu khoa học từ viết tắt x Danh sách hình xiii Danh sách bảng xvi Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ngồi nước 1.2 Tính cấp thiết 1.3 Mục tiêu 10 1.4 Cách tiếp cận 10 1.5 Phương pháp nghiên cứu 10 1.6 Đối tượng phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu 10 Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Các khái niệm 11 2.1.1 Hệ thống điện chế độ hệ thống điện 11 2.2.1.1 Hệ thống điện 11 2.2.1.2 Chế độ hệ thống điện 12 2.2 Khái niệm ổn định hệ thống điện 14 vii 2.2.1 Cân công suất 14 2.2.2 Khái niệm ổn định hệ thống điện 16 2.2.2.1 Ổn định tĩnh 17 2.2.2.2 Ổn định động 17 2.2.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh 17 2.2.2.4 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động 21 2.2.2.5 Tiêu chuẩn cân diện tích 27 2.3 Máy phát điện lượng gió 33 2.3.1 Tuabin gió 33 2.3.2 Cơng suất tuabin gió 35 2.3.3 Sơ đồ cấu trúc tuabin gió 36 2.3.4 Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu 37 2.3.5 Bộ chuyển đổi công suất máy phát điện lượng gió 37 2.4 Pin mặt trời 38 2.4.1 Giới thiệu pin mặt trời 38 2.4.2 Đặc tính làm việc pin mặt trời 41 2.4.3 Tấm lượng mặt trời 45 2.4.4 Cách ghép nối pin lượng mặt trời 45 2.4.5 Hệ quang điện làm việc với lưới 48 2.4.6 Các biến đổi hệ PV 48 Chƣơng 3: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO NGHỊCH LƢU 50 3.1 Giới thiệu hệ thống điện sử dụng nghiên cứu 50 3.2 Bộ nghịch lưu áp 51 3.2.1 Khái niệm 51 3.2.2 Phân loại 51 3.2.3 Các phương pháp điều chế 51 viii 3.3 Thiết kế PID phương pháp gán điểm cực 55 3.4 Tính tốn thiết kế PID cho nghịch lưu 56 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG ẢNH HƢỞNG CỦA TRONG NGHỊCH LƢU ĐIỀU KHIỂN PI 60 4.1 Giới thiệu 60 4.2 Sự cố ngắn mạch pha 60 4.3 Sự cố đứt đường dây DC 62 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 65 5.1 Kết luận 65 5.2 Kiến nghị 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Phụ lục 01 71 Phụ lục 02 73 ix CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC VÀ TỪ VIẾT TẮT  Các ký hiệu khoa học P: Công suất tác dụng (W) U: Điện áp (V) I: Cường độ dịng điện ( A) Q: Cơng suất phản kháng (kVAr) S: Công suất biểu kiến (kVA) f: Tần số (Hz) δ: Góc lệch (0) Pm: Cơng suất Pmax: Công suất điện cực đại t: Thời gian (s) 0 : Góc rotor m : Góc tới hạn A: Diện tích (m2) Pmw : Cơng suất tua bin gió (W) ρ: Mật độ khơng khí (kg/m3) Ar: Bề mặt bị bao phủ cánh quạt gió VW: Tốc độ gió (m/s) Cp: Hệ số cơng suất tuabin gió Λ: Tỷ số tốc độ đầu cánh quạt  w : Góc cánh quạt (độ) wp : Từ thơng (Wb) rwp : Tốc độ quay (vịng/phút) vswp: Điện áp stator (V) iswp : Dòng điện stator (A) Isc : Dòng quang điện (A/m2) I01: Dòng bão hòa (A/m2) x q: Điện tích điện tử (C) = 1,6.10-19 k: Hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k) T: Nhiệt độ (0K)  Từ viết tắt HT Hệ thống MP Máy phát PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator (Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cữu) PID Propotional Integral Derivative (Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân) EWEA European Wind Energy Association (Ủy ban lượng gió Châu Âu) DC Direct Current (Dòng điện chiều) PV Photovoltaic ( Pin quang điện) PCC Point of common coupling (Điểm kết nối chung) SG Synchronous Generator (Máy phát đồng bộ) IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor có cực điều khiển cách ly) xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Bản đồ tốc độ gió Việt Nam độ cao 80 m so với mặt đất Hình 1.2: Bản đồ phân bố xạ trung bình năm Việt Nam Hình 1.3: Bản đồ phân bố xạ trung bình năm Việt Nam Hình 1.4: Lắp đặt Tuabin gió pin mặt trời tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu Hình 1.5: Lắp đặt tuabin gió pin mặt trời Trường Sa Hình 1.6: Mơ hình kết hợp lượng gió mặt trời Ga Nha Trang Hình 2.1: Hệ thống điện đơn giản sơ đồ tương đương 18 Hình 2.2: Miền làm việc ổn định hệ thống điện đơn giản 19 Hình 2.3: Mơ hình máy phát nối với vơ lớn 21 Hình 2.4: Biểu diễn hệ thống mơ hình máy phát cổ điển 22 Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống sơ đồ thay ngắn mạch 23 Hình 2.6: Đồ thị đặc tính cơng suất 24 Hình 2.7: Sơ đồ mạch Cúk khố SW mở thơng dịng 25 Hình 2.8: Mối quan hệ góc – cơng suất 25 Hình 2.9: Đáp ứng thay đổi cơng suất 27 Hình 2.10: Sự cố ngắn mạch xảy F (a) mạch tương đương (b) 30 Hình 2.11: Minh họa tượng ổn định động 31 Hình 2.12: Cấu tạo tua bin gió 33 Hình 2.13: Lực tác dụng lên cánh quạt tuabin gió 34 Hình 2.14: Phân tích lực tác dụng lên cánh tuabin 35 xii Conference on Computing, Communication and Automation (ICCCA), Noida, 2016, pp 965-970 [9] K Wang, F Ciucu, C Lin and S H Low, “A stochastic power network calculus for integrating renewable energy sources into the power grid,” IEEE Trans Elected Areas In Communications, vol 30, no 6, pp 1037-1047, Jul 2012 [10] S Bae and A Kwasinski, “Dynamic modeling and operation strategy for a microgrid with wind and photovoltaic resources,” IEEE Trans Smart Grid, vol PP, no 99, 2012 [11] H Ghoddami, M B Delghavi, and A Yazdani, “An integrated windphotovoltaic- battery system with reduced power-electronic interface and fast control for grid-tied and off-grid applications,” Renewable Energy, vol 45, pp 128-137, Sept 2012 [12] S Bae and A Kwasinski, “Dynamic modeling and operation strategy for a microgrid with wind and photovoltaic resources,” IEEE Trans Smart Grid, vol PP, no 99, 2012 [13] Hồng Dương Hùng, Mai Vinh Hịa, Đồn Ngọc Hùng Anh, “Nghiên cứu hệ thống tích trữ lượng nhiệt mặt trời”, Tạp Chí Khoa Học Và Cơng Nghệ, Đại Học Đà Nẵng - Số 1(36).2010 [14] Tạ Van Đa, Đánh giá tài nguyên khả nang khai thác nang luợng gió lãnh thổ Viẹt Nam , Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp Bộ Hà Nọi, 10-2006 [15] Phan Mỹ Tiên, “Phân bố tiềm nang nang luợng gió lãnh thổ Viẹt Nam”, Luạn án PTS Khoa học Địa lý - Địa chất Hà Nội, 1994 [16] H Lund, “Large-scale integration of optimal combinations of PV, wind and wave power into the electricity supply,” Renewable Energy, 2006, vol 31, no 4, pp 503- 515, Apr 2006 68 [16] D A Halamay, T K A Brekken, A Simmons, and S.McArthur, “Reserve requirement impacts of large-scale integration of wind, solar, and ocean wave power generation,”IEEE Trans.Sustainable Energy, vol 2, no 3, pp 321-328, Jul 2011 [17] S Sarkar and V Ajjarapu, “MW resource assessment model for a hybrid energy conversion system with wind and solar resources,” IEEE Trans Sustainable Energy, vol 2, no 4, pp 383-391, Oct 2010 [18] Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải, Trần Gia Khánh, “ Điều khiển hệ thống lai lượng gió mặt trời lưới điện thơng minh”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 118 (04) 15-21 [19] M.G Villalva, J.R Gazoli, and E.R Filho,“ Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 24, pp1198 - 1208, May 2009 [20] L Wang, K.-H Wang, W.-J Lee, and Z Chen, “Power-flow control and stability enhancement of four parallel-operated offshore wind farms using a line-commutated HVDC link,” IEEE Trans Power Delivery, vol 25, no 2, pp 1190-1202, Apr 2010 [21] Tổng Cục Năng lượng, Bộ Cơng thương (2012), Báo cáo tóm tắt Qui hoạchPhát triển điện gió tồn quốc giai đoạn đến năm 2020, có xét đến 2030 [22] Vũ Mạnh Hà, Vì nhà máy điện gió Việt Nam lại chưa triển khai, 2007 [23]http://ttudtbkhcn.baria-vungtau.gov.vn/Ung-dung-nang-luong-mat-troi-ket-hopnang-luong-gio-va-den-LED-tiet-kiem-dien-1-139.catechbrvt [24]http://www.evn.com.vn/d6/news/Dien-sach-cai-thien-cuoc-song-nguoi-danTruong-Sa-6-17-3596.aspx [25]http://tietkiemnangluong.com.vn/tin-tuc/pho-bien-kien-thuc/t20766/ga-nhatrang-su-dung-dien-phat-tu-nang-luong-mat-troi-va-suc-gio.html 69 [26] Nguyễn Trung Dũng, Nguyễn Tuấn Anh, “ Ứng dụng lượng gió–xu chung đánh giá góc độ kinh tế môi trường,” 70 PHỤ LỤC 01 I Thơng số điều kiện vận hành bình thường máy phát đồng PG = 0,9 p.u Vt = 1,0 p.u PF = 0,975 ( trễ pha) II Thông số máy phát điện đồng S = 615 (MVA) V = 15 (KV) PF = 0,975 = 0,23 p.u = 0,2995 p.u = 0,8979 p.u = 0,2847 p.u = 0,646 p.u = 0,646 p.u = 0,2396 p.u = 7,4 (s) D = 2,0 Thơng số kích từ Máy biến áp 15/161KV: Rtr3 = 0,0 Xtr3 = 0,0012 71 Thông số đường dây RTL1 = RTL2 = 0,0 XTL1 = 0,4 (p.u) XTL2 = 0,6 (p.u) III Các phương trình Phương trình máy phát đồng (Xd id  Xmd iF  Xmd iD )/B = rsid + rXqiq  rXmdiQ  vcd (Xmd id + XF iF + Xmd iD )B = rFiF + (rF/Xmd)EFD (Xmd id + Xmd iF + XD iD )/B = rDiD (Xq iq  Xmq iQ )/B = rsiq  rXdid + rXmdiF + rXmdiD  vcq (Xmd iq + XQ iQ )/B = rQiQ (2H)  r = Tm – Dr – [(–Xdid + XmdiF + XmdiD)iq – (–Xqiq + XmqiQ)id] = Tm – Dr – (diq – qid)  = B(r  1) Phƣơng trình điện áp (C/B) vcd = id + idline – idTL1 – idTL2 + rCvcq (C/B) vcq = iq + iqline – iqTL1 – iqTL2 – rCvcd Phƣơng trình hệ thống kích từ 72 PHỤ LỤC 02 Tốc độ gió = 13 m/s Thơng số máy phát điện gió P = 2MW Rs = 0.042 Cs = 10-6 Xd = 1,05 Xq = 0,75 Xmd = 0,005 im = 1,6 Hgw = 0,5 p.u Hhw = 2,5 p.u Khgw = 0,3 p.u Dhgw = 0,05 p.u Kpw = 10,5 Klw = 30,0 w = 100 s wmin = wmax = Bán kính cánh quạt RB = 58m Máy biến áp tăng áp 0,69/23kV: Rtr1 = 0,0003 Xtr1 = 0,001 Thông số điều khiển: 73 K1 = 0,01, T1 = 0,01 K2 = 0,01, T2 = 0.01 K3= 0.12, T3 = 0.01 K4 = 0.10, T4= 0.01 Hệ số cơng suất tuabin gió Cpw c1 = 0.22 c2 =116 c3 = 0.954 c4 = 0.18 c5 = 0.955 c6 = 6.161 c7 = 11.89 c8 = -12.95 c9 = 0.088 Các phương trình máy phát điện gió (Cs / b ) v ds = (i ds  i dcon  (Cs / b ) v qs = (i qs  i qcon  g Cs v qs b g Cs v ds b ) ) g X q i qs ( X d / b )i qs = (  v ds  R s i ds  ) b g ( X d i ds  X md i m ) ( X q / b )i qs = (  v qs  R s i qs  ) b  h = (Tm  K hghg  D hgh ) 2H h   g = ( K hghg  Dhgh  Te ) 2H g  p Te = 1.5( )[( X q  X d )i dsi qs  X md i m i qs ]  hg = b (h  g )  inv = ( K1 (g _ ref  g )  inv ) T1  inv = ( K (Q t _ ref  Q t )  kminv ) T2 km  cond = ( K ( v dc _ ref  v dc )  kmcond ) T3km  conq = ( K ( v s _ ref  v s )  kmconq ) T4 km 74 Cdc v dc = (i dccon  i dcinv ) Where idccon = (kmcond  kmcond0 )idcon  (kmconq  kmconq0 )iqcon idcinv = ( kminv  kminv0 ) sin(inv0  inv )idw1  (kminv  kminv0 ) cos(inv0  inv )iqw1 X i ( X T / b )i dcon = [ v ds  ( kmcond  kmcond0 ) v dc  R T i dcon  g T qcon ] b X i ( X T / b )i qcon = [ v qs  ( kmconq  kmconq0 ) v dc  R T i qdcon  g T dcon ] b (  e ) X biqw1   ( X b / b )idw1 = ( kminv  kminv0 ) sin(  inv   inv0 )vdc  Rbidw1  2vbus sin( )  r  b    (  e ) X bidw1  ( X b / b )iqw1 = ( kminv  kminv0 ) sin(  inv   inv0 )vdc  Rbiqw1  2vbus cos( )  r  b   ( X TL2 / b )iqTL2 = vqc  RTL2 (iqTL2  iqlineratio)  2vinf cos(0)  e X TL2 (idT  idlineratio) 75 DYNAMIC STABILITY STUDIED OF AN INTEGRATED WIND AND SOLAR ENERGY GENERATION TO POWER GRID NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Truong Dinh Nhon, Nguyen Thi Mi Sa, Nguyen Minh Chon Ho Chi Minh City University of Technology and Education ABSTRACT This paper proposes an integrated renewable power generation system including wind power and solar power which are connected to a commercial power system through the same DC bus The wind power generators are based on the Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) Different power sources can be interconnected anywhere on the same DC power line, leading to flexible system expansion A time-domain scheme based on a nonlinear system model subject to a permanent DC fault in one of the DC links are systematically performed to evaluate the dynamic stability of the studied power system Keywords: Wind power, solar power, PMSG, hybrid, dynamic stability TÓM TẮT Bài báo đề xuất hệ thống phát điện tích hợp lượng bao gồm lượng gió lượng mặt trời nối với lưới điện thông qua hệ thống bus DC chung Năng lượng gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) Các nguồn phát điện khác nối vào vị trí hệ thống điện chiều thể tính linh hoạt việc mở rộng hệ thống điện Kết mơ miền thời gian dựa vào mơ hình phi tuyến hệ thống cho cố vĩnh viễn bus DC hệ thống thực để đánh giá độ ổn định động hệ thống nghiên cứu Từ khóa: Năng lượng gió, lượng mặt trời, máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu, kết hợp, ổn định động INTRODUCTION Renewable-energy issue is one of the hottest topics in the whole world today due to the fast and huge consumption of fossil fuels Renewable energy can be derived from several resources such as solar, wind, ocean waves, water flow and tides, geothermal heat, biological sources…[1] Among these resources, wind power is now a very mature and established renewable energy throughout the world The use of wind power is increasing at an annual rate of 20%, with a worldwide installed capacity of 238,000 MW at the end of 2011 [2] However, other renewable energies such as photovoltaic (PV) energy also have significant potential Since 2004, PVs passed wind as the fastest growing energy, and since 2007 have more than doubled every two years The photovoltaic capacity worldwide was 67,000 MW at the end of 2011 [3] In practice, a hybrid wind and PV energy system can reliably supply a part of the world’s energy needs, with significant benefit to climate, air quality, water quality, ecological systems, and energy security, at reasonable cost [4-6] Nowadays, hybrid system is mainly composed of natural energy sources, and in some cases, it can be incorporated into the system with traditional energy sources like coal and gas as well However, there is a tendency that the greater the system sophistication, the more suitable the power control techniques are required to be For more details, in [7] the development of Stand Alone hybrid Wind-Solar Photovoltaic system where energy storage device is used for voltage control is proposed Moreover, a complete evaluation system of wind power integration capacity has also been proposed by defining the evaluation index system after considering the plant capacity of power grid, the scale of the power grid, the level of load, the wind-solar complementary characteristics, and the capacity of flexible load [8] This paper presents the dynamic stability evaluation of the integrated wind and PV power generation system fed to power system under various operating conditions Time-domain schemes based on nonlinear system models subject to disturbance are carried out to evaluate the response of the proposed system CONFIGURATION STUDIED SYSTEM OF THE In the 5x1.5-MW solar generation subsystem, there are five photo-voltaic (PV) panel arrays and five half-bridge boost DC-DC converters Similar to the wind subsystem, the converter is used to control the operating point of the PV panels The dynamic behavior of the solar generation subsystem can be characterized by two nonlinear equations involving the voltage level on the DC-DC converters and the current injected into the DC bus These two subsystems are interconnected at the output sides of individual converters and are also connected to the DC-AC inverter through interface subsystem This inverter converts wind and solar energy generated by these sources useful to costumers Three subsystems including wind, solar and interface are also connected to the PCC of the traditional power system The employed mathematical models of the studied system are described as below The equations in the following subsections are expressed in per unit (pu) except that the time variable t and base angular frequency b are in s and rad/s, respectively 2.1 Variable-Speed Wind Turbine Figure Configuration of the studied system Fig illustrates a schematic diagram of the proposed integrated generation consisting of four subsystems: a wind generation subsystem, a solar generation subsystem, an interface subsystem and a power system The four subsystems share their DC links In the wind generation subsystem, the 5x2-MW wind turbines are represented by five permanent magnet synchronous generators (PMSG) driven by five variable-speed wind turbines (VSWT) and five rectifiers The converter is used to control indirectly the operating point of the wind turbine by commanding the rotor speed and the voltage on the PMSG terminals The dynamic behavior of the wind generation subsystem can be characterized by two nonlinear differential equations involving the d- and q-axis modulation indices of the VSC-converter For the detailed mathematic description of the wind subsystem, please refer to [9] The captured mechanical power Pmw (in W) by a VSWT from wind is given by Pmw  w  Arw  Vw3  C pw ( w , w ) (1) where w is the air density (kg/m3), Arw is the blade impact area (m2), Vw is the wind speed (m/s), and Cpw is the dimensionless power coefficient of the VSWT The expression for Cpw is depicted by C pw (ykw ,bw ) = c1 ( ỉ c c2 c - c3 × bw - c4 ìbw5 - c6 )exp ỗỗ - ÷÷ ykw è ykw ø (2) in which c9 1    kw w  c8 w w3  w  Rbw  bw Vw (3) (4) where hw is the blade angular speed (rad/s), Rbw is the blade radius (m), λw is the tip speed ratio, w is the blade pitch angle (degrees), and c1 - c9 are the constant coefficients of Cpw of the studied VSWT The cut-in, rated, and cut-out wind speeds of the VSWT are 4,14, and 24m/s, respectively 2.2 PMSG Model and Operation of Power Converters The d-q axis equivalent circuit model of the studied wind PMSG can be expressed by [6] p(qw )  b vqsw  b rswiqsw  rwdw (5) p(dw )  b vdsw  b rswidsw  rwqw (6) in which qw   ( X mqw  X lsw )iqsw   X qwiqsw (7) dw   ( X mdw  X lsw )idsw  X ' mdw mw i   X dwidsw  X ' mdw mw (8) where  is the pu flux linkage, vsw is the pu stator-winding voltage, isw is the pu stator-winding current, Xmw is the pu magnetization reactance, Xlsw is the pu leakage reactance, i’mw is the pu magnetization current, and rw is the pu rotational speed of the studied PMSG The input d-q axis pu voltages of the ith VSC-converter of the PMSG can be expressed by vcondwi = kmcondwivdc and vconqwi = kmconqwivdc, respectively, where vdc is the DC-link voltage whilekmcondwi and kmconqwi are the d- and q-axis modulation indices of the ith VSC-converter, respectively The fundamental control block diagrams of the VSC-based converter of each of the wind PMSG can be referred to [8] In which, kmcondw is employed to control the rotor speed of the wind PMSG (rw), and kmconqw is utilized to control the stator-winding voltage of the PMSG (vsw) i voltages A number of PV cells are put together and encapsulated with glass, plastic, and other transparent materials to protect against harsh environments and a PV module can then be formed To obtain the required voltage and power, a number of modules are connected in parallel to form a PV array Fig shows an equivalent circuit diagram of a PV array including an equivalent short-circuit current source ISC in parallel with a diode and a shunt resistor Rsh, where Ns is the number of cells in series and Np is the number of modules in parallel The equivalent-circuit model of the PV array shown in Fig can be expressed by the following equations: ìï üï N V R I q V R _ PV RS I PV I PV = N p I SC - N p I D íexp[ ( + )]-1ý - p ( PV + S PV ) AkT N s Np Np ùỵ Rsh N s îï (9) where VR_PV is the output voltage of the PV array, q is the charge of an electron (q = -1.602×10-19 C), k is Boltzmann constant (k = 1.38 ×10-23 J/K), T is temperature in K, A is the quality factor which is a constant, ID is the reverse saturation current of the diode, and ISC is the short-circuit current under the solar radiation of 1000 W/m2 Np IS C Np Ns Ns Np Rs R sh I PV vPV Figure Equivalent circuit of the studied PV array Fig.3 shows that the output voltage of the PV array is fed to an DC-DC boost converter to step up the PV voltage to a higher level IL 2.3 Model for PV System Each practical PV panel of the studied system has the following specifications: BP275UU, rated power of 75 W, rated voltage of 17 V, rated current of 4.45 A, open-circuit voltage of 21.4 V, and short-circuit current of 4.5 A Since the output voltage of PV cell is very low, a number of PV cells are connected together in series in order to obtain required higher Ns Np LE vPV D RE Q VR_PV RC vC R C Figure The equivalent circuit of DC-to-DC boost converter The DC line from the output of the boost DC-DC converter to the input of the DC-AC inverter is represented by an equivalent T circuit as shown in Fig The capacitor CDC, which is located at the midpoint of the DC line, can be considered as a battery model for energy storage The dynamic equations of DC-DC boost converter can be expressed by the following equation: é R + (1- D )( R / / R ) (1  D) R  C  - E  é p (I ) ù ê L L E ( R  RC ) L E  ê ú=ê  êë p (VC )úû ê (1- D ) R  ê ( R  RC )C  êë ( R + RC )C VR _ PV  (  D )( RC / / R ) L é1ù IL  +ê ú V  ê LE úV PV  C ê ú ë0 û (10) IL  V   C R   R  Rc  I R_PV I I_PV E VR_PV CDC_PV DC Fig shows the control scheme inside the DC-to-AC inverter For the VSI, constant-reactive power and DC voltage control are assumed The corresponding differential equations for controlling the modulation indices and phase angles of the inverter are described by Tkminv.p(Δkminv) = Kkminv(Qw_pv,ref  Qw_pv)  Δkminv (15) Tδinv.p(Δδinv) = Kδinv(Vdc_ref  Vdc) Δδinv (16) where  represents the quantities of deviation, subscript ref denotes the quantities of reference, Kkm and Kδ are the gains of the modulation index control block and the phase angle control block of the inverter, respectively; and Tkm and Tδ are the time constants of the modulation index control block and the phase angle control block of the inverter, respectively (11) R DC_PV R DC_PV L DC_PV DC_P V inverter of hybrid system VI_PV 2.4 Interface Subsystem Figure The equivalent circuit of DC line in PV array According to Fig 4, the pu differential equations of the DC line can be described by ( LDC _ PV ) p( I R _ PV )  VR _ PV  RDC _ PV I R _ PV  EDC (12) (13) (CDC _ PV ) p( EDC )  I R _ PV  I I _ PV ( LDC _ PV ) p( I I _ PV )  EDC  VI _ PV  RDC _ PV I I _ PV (14) kminv0 kminv_max Q + w_pv,ref ∑ K kminv Δkminv + 1+sTkminv _ δ inv0 Vdc δ _ dc,ref + VC ∑ kminv kminv_min Q w_pv V + ∑ Δδ inv + K δinv 1+sTδinv _ PID sTW (17) vinvq = kminvcos(inv)vdc (18) where kminv and δinv are the modulation index and the phase angle of the VSC-inverter, respectively In which, δinv is responsible to control the DC-link voltage (vdc), kminv is used to control the output reactive power of the hybrid system (Qw_pv), kmcondw is employed to control the rotor speed of the wind PMSG (rw), and kmconqw is utilized to control the stator-winding voltage of the PMSG (vsw) [7] inv_max δ inv inv_min 1+sTW vinvd = kminvsin(inv)vdc + ∑ δ VC,max The DC bus collects the energy generated by both the wind and solar subsystems and delivers it to the utility The output d-q axis pu voltages of the VSC-inverter of the hybrid system (wind and solar generation) can be written by Δωr VC,min Figure Control block diagram of DC-to-AC TIME-DOMAIN SIMULATIONS This section employs the nonlinear-system model developed in Section to evaluate the stability of the studied system under a permanent DC fault in one of the DC links of wind generation subsystem side It is assumed that the OWF operates under a wind speed VW of 12 m/s, the PV array operates under the irradiance of 1000 W/m2, the short-circuit current ISC of 7.77 A, and the diode’s reverse saturation current ID of 910-11 A If there is a permanent DC fault in one of the DC links of wind generation subsystem side in studied system, it may lead to lose of one wind farm It is similar to the fact that one wind farm is tripped out of the system To test this scenario, the studied system is subjected to a permanent fault at the middle of DC link at t = 5s The transient responses of the remaining system are presented in Fig 1.5 PMSG1 PMSG1 (pu) (pu) P V 0.5 0 10 t (s) 15 0.5 20 (a) PPMSG 10 t (s) 15 20 (b) VPMSG 0.8 Idc (pu) Idc (pu) 0.4 0.4 -0.4 0.2 0 10 t (s) 15 20 (c)Idc1 10 t (s) 15 20 (d)Idc2 (pu) f 60 sys I I (pu) 62 58 56 10 t (s) 15 20 (e)II 10 t (s) 15 20 (f) fsys V inf (pu) 1.05 0.95 10 t (s) 15 20 (g) Vinf Figure Transient responses of the studied system subject to a permanent DC fault at the middle of DC link Figs (a) and (b) show the transient responses of the active-power, the terminal voltage of the PMSG-based wind generations, the current of rectifier and inverter of the interface subsystem, the grid frequency, and the voltage at infinite bus, respectively It can be seen that the power flow in the DC link is zero after fault (Fig 6(e)) The other quantities such as the DC current of inverter, the grid frequency and the voltage at infinite bus can reach to the new steady-state conditions CONCLUSION This paper has presented the transient stability evaluation of an integration of a WF and a PV system fed to power system through the same DC bus The time-domain simulations of the studied system subject to a permanent DC fault in one of the DC links of wind generation subsystem side have been performed to evaluate the stability of the studied system REFERENCES [1] U Bossel - On the way to a sustainable energy future, Proc 27th International Telecommunications Conference (INTELEC), 18-22 Sep 2005, Berlin, Germany 659-668 [2] Renewables 2011 global status report, REN21, 15 Rue de Milan, Paris, 2011, pp 1-115 [3] European Photovoltaic Industry Association - Market report 2011, EPIA, Rue d’Arlon 63-67, 1040 Brussels, Belgium, 2012, pp 1-34 [4] M A Delucchi and M Z Jacobson Providing all global energy with wind, water, and solar power, Part I: Technologies, energy resources, quantities and areas of infrastructure, and materials, Energy Policy 39 (3) (2011) 1154-1169 [5] D.-N Truong and L Wang - Power system stability enhancement with an integrated offshore wind farm and marine-current farm using a STATCOM, Proc IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems, 2-5 December 2012, Kaohsiung, Taiwan 571-574 [6] M A Mahmud, H R Pota, and M J Hossain - Dynamic stability of three-phase grid-connected photovoltaic system using zero dynamic design approach, IEEE Journal of Photovoltaics, (4) (2012) 564-571 [7] M Y Zargar, M u D Mufti and S A Lone, "Modelling and control of wind solar hybrid system using energy storage system," 2016 International Conference on Computing, Communication and Automation (ICCCA), Noida, 2016, pp 965-970 [8] Wenbo Hao, Chengzhi Sun and Zhao Leilei, "The research on adaptability evaluation of wind power integration capacity in power grid considering wind-solar hybrid complementary characteristics and flexible loads interference," 2016 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), Xi'an, 2016, pp 1856-1860 [9] C.-H Lin, W.-L Hsieh, C.-S Chen, C.-T Hsu, T.-T Ku, and C.-T Tsai - Financial analysis of a large-scale photovoltaic system and its impact on distribution feeders, IEEE Trans Industry Applications, 47 (4) (2011) 1884-1891 S K L 0 ... thực Luận văn TÁC GIẢ iv TÓM TẮT Nội dung luận văn nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống điện tích hợp lượng gió lượng mặt trời Trong giải pháp đề xuất kết nối hai hệ thống thông qua hệ thống bus... hệ thống thực để đánh giá độ ổn định hệ thống nghiên cứu Có thể kết luận từ kết mô rằng, điều khiển PID phù hợp để điều khiển nghịch lưu nhằm tăng độ ổn định cho hệ thống tích hợp lượng gió lượng. .. chóng đặc biệt hệ thống điện mặt trời hệ thống gió Năng lượng tái tạo chiếm khoảng 23,7% lượng tiêu thụ lượng cuối toàn giới năm 2015 lượng mặt trời lượng gió chiếm 77% cịn lại nguồn lượng khác [2]