Phân tích ổn định tĩnh hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel trên đảo phú quý

24 Lê Thái Hiệp, Doãn Văn Đông, Nguyễn Thế Công, Lê Văn Doanh PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TĨNH HỆ THỐNG ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL TRÊN ĐẢO PHÚ QUÝ SMALL SIGNAL STABILITY ANALYSIS OF THE WIND – DIESEL ENERGY HYB[.]

Lê Thái Hiệp, Dỗn Văn Đơng, Nguyễn Thế Cơng, Lê Văn Doanh 24 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TĨNH HỆ THỐNG ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL TRÊN ĐẢO PHÚ QUÝ SMALL-SIGNAL STABILITY ANALYSIS OF THE WIND – DIESEL ENERGY HYBRID SYSTEM ON PHUQUY ISLAND Lê Thái Hiệp1, Dỗn Văn Đơng2, Nguyễn Thế Công3, Lê Văn Doanh3 Trường Đại học Quy Nhơn; Email: lthiep@ftt.edu.vn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; Email: dvd17285@gmail.com Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Email: cong.nguyenthe@hust.edu.vn , ledoanhbk@yahoo.com Tóm tắt - Hiện lưới điện đảo Phú Quý (Bình Thuận) lưới nhỏ, độc lập cấp nguồn từ hệ thống điện hỗn hợp gió - diesel Trong q trình vận hành hệ thống có xảy tượng khơng ổn định tính trạm điện gió khơng phù hợp với lưới nhỏ độc lập điều khiển hỗ trợ ổn định lưới kém, công suất cực tiểu lớn, cài đặt chế độ không phát công suất phản kháng Qua khảo sát lưới điện có dao động bé tốc độ gió thay đổi, thay đổi cơng suất phụ tải, dao động điện áp, dao động tần số…vv, xác định vùng làm việc ổn định điều kiện biên Dựa vào kết khảo sát, báo này, đưa khuyến nghị để vận hành lưới điện tốt ổn định hơn, mà không cần thay đổi cấu trúc thêm thiết bị phụ trợ Abstract - At the moment, the distribution network of PhuQuy island (BinhThuan Province) is an isolated microgrid which is only supplied from a wind – diesel hybrid energy system In fact, the system operation has occurred unstable phenomenons, because of the wind power station is not suitable for isolated microgrid such as less stable controlling supports, too large minimum capacity, no generated reactive power set mode After studying this grid with small fluctuations as wind speed changes, changing capacity of load, voltage fluctuations, frequency fluctuations, etc., we found less stable regions and boundary conditions Therefore, in this paper we give recommendations to operate this grid more stable, without changing the structure or adding auxiliary equipments Từ khóa - điện gió; hệ thống điện hỗn hợp gió - diesel; ổn định; công suất; công suất phản kháng Key words - wind power; wind – diesel hybrid energy system; stability; power; reactive power Đặt vấn đề Hệ thống điện gió kết hợp diesel xem hệ thống điện phù hợp cho vùng sâu, vùng xa, hải đảo ứng dụng nhiều nơi giới Tuy nhiên áp dụng cần có nghiên cứu chuyên sâu để hệ thống độc lập làm việc ổn định mang lại hiệu kinh tế Tháng 8/2012 Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVN SPC) Cơng ty Năng lượng tái tạo Dầu khí Việt Nam (PV Power RE) thống phương án vận hành hệ thống điện gió – diesel đảo Phú Quý số nguyên tắc, quan trọng tỷ lệ phát điện gió - diesel 50% - 50% [1],[2],[3] Với quy trình vận hành khơng tận dụng tốt nguồn lượng gió mà tiếp tục tiêu tốn nhiên liệu diesel Theo đề xuất trước [1] hệ thống điện nên trang bị thêm thiết bị phụ trợ để nâng tỷ lệ phát trạm điện gió Bài báo nhằm mục đích đưa khuyến nghị để vận hành ổn định lưới điện nâng cao tỷ lệ cơng suất phát trạm điện gió mà khơng cần thêm thiết bị phụ trợ Để giải vấn đề trên, báo khảo sát tính ổn định hệ thống điện hỗn hợp gió - diesel Phú Quý Qua xác định vùng làm việc ổn định yếu tố ảnh hưởng lớn tới ổn định tĩnh hệ thống Từ đưa khuyến nghị để vận hành ổn định hệ thống Hệ thống điện gió gồm tuabin loại V80-2MW sử dụng máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Tập đồn Vestas Mỗi tuabin có cơng suất phát định mức 2.0 MW điện áp phát 690V, nối lưới 22kV thông qua máy biến áp khô công suất 2.1 MVA, 22/0.69kV, YN/yn-0 Lưới điện 22kV có tổng chiều dài khoảng 21.5 km gồm hai phát tuyến 471 472 Hệ thống điện gió kết hợp diesel đảo Phú Quý [3] Hệ thống phát điện diesel gồm máy phát loại VTA-28 sản xuất Cummin, công suất phát định mức 500kW (625kVA), điện áp đầu cực 0.4kV, hệ số công suất 0.8 Hệ thống 0.4kV kết nối lưới 22kV thông qua 03 máy biến áp làm việc song song loại 1600kVA, 22±2x2.5/0.4kV Hình Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel đảo Phú Quý ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN Phân tích quy đổi hệ thống điện dạng đơn giản Để thuận tiện cho việc khảo sát, báo quy đổi hệ thống điện thực đảo Phú Quý dạng đơn giản hình Do đường dây 22kV thường có điện dung đường dây không đáng kể, nên không xét Tụ bù Q cung cấp vừa đủ công suất phản kháng cho máy phát điện gió, nên khơng xét đến ảnh hưởng hệ thống Do hệ thống khảo sát bao gồm thơng số Hình 25 Hình Sơ đồ đơn giản hóa hệ thống điện Phú Quý Hình Sơ đồ mạch đơn giản hệ thống điện Phú Quý Bảng Thông số hệ thống Thơng số Máy phát (điện gió): Cơng suất định mức Điện áp định mức Điện kháng độ Hệ số công suất Hằng số thời gian quán tính Máy biến áp 1: Cơng suất định mức Điện áp định mức Điện áp ngắn mạch Tỷ số biến áp Đường dây 1: Điện trở đường dây Điện kháng đường dây Chiều dài đường dây Máy phát (điện diesel): Công suất định mức Điện áp định mức Điện kháng độ Hệ số công suất Hằng số thời gian qn tính Máy biến áp 2: Cơng suất định mức Điện áp định mức Điện áp ngắn mạch Tỷ số biến áp Đường dây 2: Điện trở đường dây Điện kháng đường dây Chiều dài đường dây Phụ tải: Điện áp nút tải Hệ số công suất Giá trị thông số Đơn vị Pdm1=3x2000 Udm1=690 X’d1=0.42 cosφ1=0.98 Tj1=10.1 kW V pu Sba_dm=3x2100 Uba_dm=0.69/22 Uba_n=5.3 k1=22000/690 kVA kV % r01=0.3688 x01=0.3800 l1 ≈ Ω/km Ω/km km Pdm2=6x500 Udm2=380 X’d2=0.22 cos φ2=0.8 Tj2=3.2 kW V pu Sba_dm2=3x1600 Uba_dm2=0.4/22 Uba_n2=4.6 k2=22000/380 kVA kV % r02=0.3688 x02=0.3800 l2 ≈ Ω/km Ω/km km U3=22 Cosφ ≈ 0.87 kV s s [Nguồn từ Vestas, Cummin Dự án phong điện Phú Quý] Tính tốn khảo sát 4.1 Các bước tiến hành khảo sát Việc khảo sát xác định vùng làm việc ổn định thực qua bước sau: Bước 1: Tính tốn xác định thơng số trạng thái hệ thống điện chế độ làm việc ổn định [4],[5]; Bước 2: Tính tốn xác định đặc tính làm việc hệ thống điện [4],[5]; Bước 3: Cho phụ tải thay đổi khảo sát ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov [4],[5] tiêu chuẩn Gidanov [4]; Bước 4: Thay đổi khả phát công suất phản kháng trạm điện gió để nhận vùng làm việc ổn định hệ thống điện Trong bước 2, cơng suất trạm điện gió khảo sát tồn miền 0MW ÷ 6MW (sao cho thỏa mãn cân công suất) 4.2 Khảo sát theo phương pháp dao động bé Lyapunov Hệ phương trình (1), (2) [4],[5] thể trình độ hệ thống điện Hệ phương trình (3), (4) mơ tả cân công suất nút phụ tải d2 TJ1 21  Pm1  P1 (1) dt d TJ2 22  Pm2  P2 (2) dt (3) Q1t  Q21  Qt  P1t  P2t  Pt  (4) Tuyến tính hóa hệ phương trình (1), (2), (3), (4) theo biến δ1, δ2, U ω nhằm áp dụng phương pháp đánh giá ổn định theo xấp xỉ bậc Lyapunov, thu hệ (5), (6), (7), (8) [4] d 1 P1 P P TJ1  1  U  m1   (5) 1 U  dt d 2 P2 P P TJ2  2  U  m2   (6) 2 U  dt Lê Thái Hiệp, Doãn Văn Đông, Nguyễn Thế Công, Lê Văn Doanh 26 Q1t Q Q2t Q2t 1  1t U  2  U 1 U 2 U Q Q t  t U    U  P1t P P P 1  1t U  2t   2t U 1 U 2 U Q2t  E2 Uy23 cos(2  23 )  U2 y23 cos 23 (7) (8) Pt Pt  U    U  Vậy phương trình đặc trưng D(p) = có dạng sau [4]: TJ1p  P1 1 TJ p  P2  P1 U  Pm1  P2 U  Pm2  Q1t 1 Q 2t  Q1t Q 2t Q t   U U U P1t 1 P2t  P1t P2t Pt   U U U Q  t    (9) Pt  Trong định thức trên, giá trị đạo hàm riêng tính từ phương trình sau: (10) P1  E12 y13 sin 13  E1 Uy13 sin (1  13 ) (11) Q1  E12 y13cos13  E1 Uy13cos(1  13 ) (12) P2  E22 y23 sin 23  E2 Uy23 sin (2  23 ) (13) Q2  E22 y23cos23  E2 Uy23cos(2  23 ) (14) P1t  E1 Uy13 sin(1  13 )  U y13 sin 13 (15) Q1t  E1 Uy13 cos(1  13 )  U2 y13 cos 13 (16) P2t  E2 Uy23 sin(2  23 )  U2 y23 sin 23 (17) Sau tính định thức từ phương trình đặc trưng (9) dạng sau: (18) Ap4  Bp2  C  Giải phương trình (18) trường hợp khác tập nghiệm phân bố Hình đến Hệ thống ổn định nghiệm pi số ảo 4.3 Khảo sát ổn định theo tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ (tiêu chuẩn Gidanov) Trong khảo sát ổn định hệ thống điện, người ta chia ổn định làm hai nhóm : + Mất ổn định gây thơng số hệ thống diễn theo dạng phi chu kỳ (các biến trạng thái tăng vô hạn không dao động); + Mất ổn định gây thông số điều chỉnh không phù hợp diễn theo dạng chu kỳ (các biến trạng thái tăng vô hạn dao động) Tiêu chuẩn Gidanov áp dụng để khảo sát ổn định tự động điều chỉnh hệ thống làm việc tốt Theo tiêu chuẩn Gidanov hệ thống bắt đầu chuyển từ trạng thái ổn định sang ổn định phi chu kỳ hệ số an phương trình đặc trưng (19) bắt đầu đổi dấu từ dương sang âm Đặc điểm có ích cho việc xác định điều kiện biên yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định hệ thống D(p)  a pn  a1pn 1   a n 1p1  a n  (19) Các kết khảo sát Hình Khảo sát nghiệm D(p) = hệ số an D(p) với tải Pt = ÷ 5.3 MW, cosφ = 0.87 S1 = (0 ÷ 5.3) +j.0 MVA Hình Khảo sát nghiệm D(p) = hệ số an D(p) với tải Pt = 5.5 MW, cosφ = 0.87 S1 = (0 ÷ 5.5) +j.0 MVA ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 27 Hình Khảo sát nghiệm D(p) = hệ số an D(p) với tải Pt = MW, cosφ = 0.87 S1 = (0 ÷ 6) +j.0 MVA Hình Khảo sát nghiệm D(p) = hệ số an D(p) với tải Pt = MW, cosφ = 0.87 S1 = (0 ÷ 6) +j.0 MVA Hình Khảo sát an với tải Pt = ÷ MW, cosφ = 0.87 P1 = ÷ MW , cosφS1 = Hình Khảo sát an với tải Pt = MW, cosφ = 0.87 P1 = ÷ MW Hình 10 Khảo sát an với tải Pt = ÷ MW, cosφ = 0.87 P1 = ÷ MW , cosφS1 = giữ điện áp đầu cực máy phát khơng đổi Q trình tính tốn phần mềm Matlab cho kết thể từ Hình đến Hình 10, cơng suất tải thay đổi thay đổi công suất phát điện gió với giả thiết (đúng với thực tế vận hành nay) điện gió khơng phát cơng suất phản kháng phát với cosφs1=0.98 Nếu điều chỉnh điện áp máy phát cài đặt theo chế độ giữ điện áp đầu cực máy phát không đổi cho dù điện áp nút tải có thay đổi kết khảo sát Hình 10 Nhận xét Từ Hình có kết luận hệ hoạt động ổn định dải công suất tải Pt = ÷ 5.3 MW với cơng suất trạm điện gió phát Từ Hình 5, 6, rút kết luận hệ hoạt động có xảy ổn định dải cơng suất tải Pt = 5.5 MW trở lên (với cosφ = 0.87) Ở khảo sát với khả phát cơng suất trạm điện gió Từ Hình 5, 6, 7, có kết luận hệ hoạt động không ổn định dải công suất tải Pt = 5.5 MW trở lên (với cosφ = 0.87) tương ứng với dải cơng suất trạm điện gió S1 = (0.91% ÷ 100%).6 +j.0 MVA, hệ thống lại làm việc ổn định dải công suất trạm điện gió S1 = (0% ÷ 0.91%).6 +j.0 MVA Phụ tải thực tế đảo có giá trị lớn 2MW [1],[2] nên so sánh với miền khảo sát Hình ta thấy hệ thống làm việc hoàn toàn ổn định tĩnh với khả phát cơng suất trạm điện gió Ổn định tĩnh thuộc tính cấu trúc hệ thống [4], nên hệ thống ổn định tĩnh đảm bảo ổn định động thông qua thiết bị bảo vệ cố tác động nhanh, sử dụng thiết bị tự động đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua, điều khiển tốt thiết bị bù Điều cho phép nâng cao tỷ lệ điện gió so với diesel lên 50% tổng cơng suất phát nhằm tiết kiệm nhiên liệu diesel Đã có chứng 28 Lê Thái Hiệp, Dỗn Văn Đơng, Nguyễn Thế Công, Lê Văn Doanh minh cho thấy hệ thống vận hành với tỷ lệ điện gió – diesel 70%-30% đảm bảo ổn định [1] Từ Hình nhận thấy trạm điện gió phát thêm cơng suất phản kháng S1 = P1 +j.Q1 với cosφS1 = 0.995 trở (theo chiều mũi tên) hệ thống làm việc hồn toàn ổn định Dù xem xét giá trị cosφS1 thấp theo hướng phát công suất phản kháng có xảy ổn định, lúc Q1 lớn, điều khơng thể có hệ thống điện gió sử dụng máy phát DFIG Cịn trạm điện gió phải nhận cơng suất phản kháng S1 = P1 - j.Q1 hệ khơng ổn định vùng trạm điện gió phát cơng suất lớn Qua phân tích báo, chúng tối thấy hồn tồn nâng tỷ lệ phát điện gió – diesel lên 70%-30% sau phối hợp điều chỉnh nêu nhằm giảm tiêu tốn diesel bảo vệ mơi trường Việc chứng minh tỷ lệ điện gió so với diesel hợp lý mà đảm bảo ổn định động vận hành hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel cấp nguồn cho lưới nhỏ cô lập hướng nghiên Kết luận Trong báo xem xét, xác định khả phát công suất phản kháng nguồn điện có vai trị quan trọng ổn định hệ thống điện đề xuất yêu cầu trạm điện gió phải phát cơng suất phản kháng với cosφS1 hợp lý từ 0.98 đến 0.80 tùy nhu cầu phụ tải Đồng thời báo đề xuất điều chỉnh điện áp máy phát phải cài đặt theo chế độ giữ điện áp đầu cực máy phát không đổi cho dù điện áp nút tải có thay đổi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Duc Huy, Tran Nam Trung, Tran Khanh Viet Dung, Nguyen Phung Quang, Vo Hong Thai, “Solutions for local isolated grid with hybrid system”, Petrovietnam – journal, vol 10, 2013, pp 62–67 [2] EVN SPC, Vận hành hệ thống hỗn hợp Diesel-gió đảo Phú quý, [online] [3] http://pctayninh.evnspc.vn/index.php/gioi-thieu-cty/810-vn-hanhh-thng-hn-hp-diesel-gio-tren-o-phu-quy[4] Công ty TNHH 1TV lượng tái tạo Điện lực Dầu khí Việt Nam, (2012) Cơng ty điện lực Bình Thuận, Qui trình vận hành hỗn hợp gió – diesel đảo Phú Quý, Bình Thuận [5] GS TS Lã Văn Út, (2011) Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Mrinal K Pal, (2007) Power System Stability, Edison, New Jersey (BBT nhận bài: 12/03/2014, phản biện xong: 06/05/2014) ... giản hóa hệ thống điện Phú Quý Hình Sơ đồ mạch đơn giản hệ thống điện Phú Quý Bảng Thông số hệ thống Thông số Máy phát (điện gió) : Cơng suất định mức Điện áp định mức Điện kháng độ Hệ số cơng... hệ thống làm việc hoàn toàn ổn định tĩnh với khả phát công suất trạm điện gió Ổn định tĩnh thuộc tính cấu trúc hệ thống [4], nên hệ thống ổn định tĩnh đảm bảo ổn định động thông qua thiết bị... sau phối hợp điều chỉnh nêu nhằm giảm tiêu tốn diesel bảo vệ môi trường Việc chứng minh tỷ lệ điện gió so với diesel hợp lý mà đảm bảo ổn định động vận hành hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel cấp