Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢM HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ CHO HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ DFIG BẰNG TCSC STUDY ON SUB SYNCHRONOUS RESONANCE ALLEVIATION FOR DFIG BASED WIND FARMS BY USING TCSC Nguyễn Nhân Bổn, Tăng Hoàng Nam Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 15/12/2020, ngày phản biện đánh giá 29/12/2021, ngày chấp nhận đăng 29/03/2021 TÓM TẮT Việc sử dụng tụ bù dọc đường dây truyền tải giúp cải thiện công suất truyền tải đường dây Tuy nhiên, việc sử dụng tụ bù dọc có nguy gây tượng cộng hưởng đồng (SSR) Bài báo trình bày sở lý thuyết SSR, mơ hình tốn học máy phát điện gió cảm ứng nguồn kép (DFIG), mơ hình đường dây truyền tải có sử dụng tụ bù dọc Một thiết bị FACTS TCSC sử dụng để loại bỏ SSR cấp bù cao, nguyên lý hoạt động điều khiển TCSC trình bày báo Mơ chuẩn IEEE (IEEE FBM) hiệu chỉnh lại với hệ thống điện gió DFIG 100 MW để phù hợp với nghiên cứu Kết báo thực phương pháp mô theo miền thời gian phần Matlab/Simulink Qua kết cho thấy SSR loại bỏ cách hiệu sử dụng TCSC cấp bù cao Từ khóa: cộng hưởng đồng (SSR); máy phát điện gió cảm ứng nguồn kép (DFIG); bù dọc; TCSC; tụ bù dọc; ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE); tương tác xoắn (TI); khuếch đại mô men xoắn (TA) ABSTRACT Using series capacitors on the transmission line improves the transmission capacity However, the use of series capacitors can cause Sub Synchronous Resonance (SSR) This paper presents the basic theories of SSR, mathematical models of double fed induction generators (DFIG), transmission line models using series capacitors A TCSC device is used to remove SSR at high compensation levels, the principle of operation and control of TCSC is also presented in this paper The IEEE First Benchmark model (IEEE FBM) was modified with a 100 MW DFIG wind power system to accommodate the study The results of the paper are done by simulating the time domain on the Matlab / Simulink software The results show that SSR is effectively eliminated when using TCSC at high compensation levels Keywords: sub synchronous resonance (SSR); double fed induction generator (DFIG); thyristor-controlled series capacitors (TCSC); induction generator effect (IGE); torque interaction (TI); torque amplification (TA) GIỚI THIỆU Việc sử dụng nguồn nguyên liệu hoá thạch nhà máy nhiệt điện tạo lượng lớn khí thải gây hiệu ứng nhà kính nhiễm khơng khí ảnh hưởng đến nghiêm trọng đến sức khỏe người Hơn nữa, nguồn nguyên liệu hố thạch nguồn tài ngun có hạn dần cạn kiệt Vì lý này, nhiều quốc gia giới có Việt Nam ứng dụng thêm nhiều nguồn lượng tái tạo (pin quang điện, gió, sinh khối, ) để tạo điện Trong đó, nguồn lượng gió phát triển cách nhanh chóng thời gian gần Vì nhà máy điện gió lớn thường đặt xa nơi hộ dân sinh sống, nên cần phải có đường dây truyền tải dài để kết nối với lưới điện Việc truyền tải điện đường dây Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh dài làm giảm công suất truyền tải, việc lắp đặt thêm hệ thống tụ bù dọc đường dây truyền tải làm tăng khả truyền tải công suất ổn định lưới điện với chi phí thấp nhiều so với xây dựng thêm đường dây truyền tải Một nghiên cứu thực ABB cho thấy tăng công suất đường dây truyền tải từ 1300 MW đến 2000 MW cách sử dụng tụ bù dọc có giá thấp 90% so với xây dựng đường dây [1] Việc sử dụng tụ bù dọc nâng cao cơng suất tính ổn định truyền tải điện gió với khoảng cách xa, giảm việc xây dựng đường dây mới, giảm tác động đến môi trường [1] Tuy nhiên, yếu tố cản trở việc sử dụng rộng rãi bù dọc nguy tiềm ẩn tượng cộng hưởng đồng (SSR) [2] Gây hư hại trục tua bin ổn định điện tần số dao động thấp tần số hệ thống hậu SSR, không ngăn chặn Trong báo này, TCSC sử dụng để giảm thiểu cộng hưởng đồng cho hệ thống điện gió DFIG Hiệu TCSC việc giảm thiểu SSR nghiên cứu nhiều điều kiện hoạt động Một mơ hình tua bin gió DFIG kết nối với lưới điện qua đường dây bù dọc, mơ hình lấy từ mơ hình chuẩn IEEE (IEEE First BenchMark – IEEE FMB) để phân tích SSR mức bù dọc khác sau mơ hình TCSC thêm vào hệ thống nghiên cứu, để phân tích khả giảm SSR Hệ thống mơ miền thời gian Matlab / Simulink Mục tiêu báo phân tích ảnh hưởng cấp độ bù tụ điện bù dọc đường dây truyền tải gây SSR cho hệ thống điện gió hiệu giảm SSR TCSC Tổ chức báo sau Tổng quan toán nghiên cứu giới thiệu phần Lý thuyết SSR định nghĩa, phân loại kỹ thuật nghiên cứu cộng hưởng không đồng mô tả ngắn gọn phần Phần trình bày mơ hình nghiên cứu Phần trình bày mơ hình chiến lược điều khiển TCSC để giảm SSR Phần trình bày kết mô miền thời gian để xác minh TCSC có hiệu việc giảm SSR Cuối cùng, phần kết luận báo HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ (SSR) SSR tượng xảy có trao đổi lượng (ở tần số thấp tần số danh định hệ thống) hệ thống truyền tải điện bù dọc hệ thống trục tua binmáy phát thông qua thao tác độ cố thoáng qua Tần số đồng xác định công thức: f er f Xc Xeq (1) đó, XC điện kháng tụ bù dọc, Xeq điện kháng đường f0 tần số danh định hệ thống điện Hiện tượng dẫn đến khả hư hỏng hệ thống trục tua bin-máy phát điện, gây vết nứt trục tua bin, nặng phá hủy trục dẫn đến hệ thống ổn định hệ thống điện ngưng hoạt động khơng có biện pháp dập tắt dao động Hiện tượng SSR xảy hai hình thức khác Thứ nhất, điều kiện độ khuếch đại mô-men xoắn (TA–Torque Amplification) loại thứ hai điều kiện ổn định tạo nên tương tác xoắn (TI) ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE) [3] 2.1 Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE) IGE tượng tự kích thích Khi lực từ động (mmf) quay tạo dòng điện phần ứng tần số đồng chuyển động với tốc độ NS, chậm tốc độ rô to Nr, điện trở rô to (ở tần số đồng nhìn từ cực phần ứng) mang dấu âm, độ trượt “s” máy phát cảm ứng âm Khi thành phần tần số đồng gần khớp với tần số cộng hưởng điện fer nào, dao động xoắn cộng hưởng điện kích thích lẫn dẫn đến SSR 2.2 Tương tác xoắn (TI) Tương tác xoắn TI xảy hệ thống điện trục tua bin hệ thống, Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh tượng điện Trục tua bin máy phát điện có số chế xoắn học cố định dãy tần số đồng Mối liên hệ tần số xoắn học tần số cộng hưởng điện mô tả sau: Phương pháp quét tần số (Frequency Scan) Phương pháp phân tích giá trị riêng (Eigenvalue analysis) (2) Phân tích hệ số mơ men phức hợp (Complex torque coefficient analysis) đó, fTM tần số chế độ xoắn, fsys tần số hệ thống, fe tần số cộng hưởng điện Phương pháp mô độ điện từ (Electro – magnetic transient simulation) Chế độ TI xảy có tác nhân bổ sung thêm tần số đồng bộ, độ phận giảm dao động hệ thống không đủ lớn, dao động tăng lên tượng SSR xảy Các thành phần điện tần số đồng tìm thấy nhiều ngun nhân gây ra, thông thường hệ thống tụ bù dọc đường dây truyền tải thiết bị điện tử công suất gây Mỗi phương pháp sử dụng có điểm mạnh hạn chế riêng tùy vào trường hợp phân tích [4] f TM fsys f e MƠ HÌNH HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU E iL is Vs DFIG XT RL XL XTg ir XC POWER GRID ig Vdc RSC GSC Tg & Qs control Vdc & Vs control 2.3 Khuếch đại mơ men xoắn (TA) Ngun nhân gây TA nhiễu loạn hệ thống dòng điện độ Trong hệ thống điện xoay chiều, tác động xảy (đóng / cắt đường dây, cố thống qua,… ) sinh dòng điện độ lớn, dòng điện độ có xu hướng gây dao động tần số tự nhiên lưới điện Nếu khơng có hệ thống tụ bù dọc dịng điện q độ dịng điện DC nhanh chóng dập tắt bới thành phần giảm dao động hệ thống Tuy nhiên, có hệ thống tụ bù dọc dịng điện q độ có xu hướng dao động tần số xác định công thức (1) dãy tần số đồng Nếu có nhiều nhóm tụ bù dọc lưới điện, dịng điện q độ có nhiều tần số dao động Tương tự TI, tần số dòng điện đồng kết hợp với tần số dao động trục tua bin máy phát, tạo dao động có mơ men xoắn lớn tỉ lệ với cường độ dòng điện độ làm phá hủy trục tua bin máy phát điện gây thiệt hại lớn cho hệ thống điện 2.4 Các phương pháp nghiên cứu SSR Có nhiều phương pháp để nghiên cứu cộng hưởng đồng hệ thống điện Các phương pháp phổ biến là: Hình Sơ đồ lưới điện IEEE FBM có tích hợp điện gió DFIG Hệ thống nghiên cứu dựa mơ hình chuẩn thứ IEEE cho nghiên cứu SSR thể hình 1, hệ thống điện gió dựa DFIG 100 MW kết nối với lưới 161 kV có bù dọc Hệ thống điện gió 100 MW mơ hình tổng hợp 66 tổ máy tua bin gió, tổ máy có cơng suất định mức 1,5 MW Trên thực tế, tua bin gió 1,5 MW mở rộng lên để đại diện cho hệ thống điện gió 100 MW Sự đơn giản hóa dựa theo số nghiên cứu [5-7] cho thấy mơ hình hệ thống điện gió tổng hợp phù hợp cho nghiên cứu động lực học hệ thống điện 3.1 Mơ hình khí động học tua bin gió Mơ men đầu động tua bin gió biểu thị phương trình sau [2] Tm ARC p V2 2 (3) đó, ρ mật độ khơng khí (kgm-3), A diện tích quét cánh quạt (m2), R chiều dài 10 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh cánh quạt (m), Vω tốc độ gió (m/s), CP hệ số công suất mặt cắt hàm tỷ lệ góc cánh quạt θ tốc độ đầu cánh quạt λ theo phương trình sau: RC 0.255 Cp f 0.022 e 2 RCf (4) đó: Cf tỉ lệ số thiết kế mặt cắt tua bin tỉ lệ tốc độ đầu cánh quạt, 𝜃� tỉ lệ góc nghiêng tốc độ đầu cánh quạt là: R m V (5) đó, 𝜔�m là tốc độ quay tua bin gió tính rad/s 3.2 Mơ hình hệ thống trục tua bin – máy phát vsd vsq v rd v rq d sd 0 sq dt d R sisq sq 0 sd dt d R r isd rd 0 r rq dt d R r isq rq 0 r rd dt R sisd sd sq rd rq Lsisd L m i rd Lsisq L m i rq L m isd L r i rd L m isq L rq 0 s B (8) (9) (10) đó, vsd, vsq, vrd, vrq thành phần trục d q điện áp stato rô to; ird, irq thành phần trục d q dòng điện stato rô to; ψsd, ψsq, ψrd, ψrq thành phần trục d q từ Dtg Ktg Dt Dtg ΔTm thông stato rôto; Ls, Lr, Lm độ 2H 2Ht 2Ht 2Ht t Δ Δ tự cảm cuộn dây stato, độ tự cảm dây t Dtg Dg Dtg Ktg t ΔTe ( d Δg quấn rô to hỗ cảm cuộn dây stato Δg dt 2H g 2H g (6) 2H g 2H g rô to; Rs, Rr điện trở cuộn tg tg 0 0 dây stato rô to; ω0 ωr tốc độ góc lưới điện tốc độ góc rơ to đó, 𝜔�t 𝜔�r tốc độ tua bin Phương trình mơ men điện hệ pu rô to máy phát; Tg mô men bên đưa sau: mơ hình; Tm Te mô men tua bin mô men điện máy phát; Dt Te rd i rq rqi rd (11) Dg hệ số tắt dần học tua bin máy phát; Ht Hg số 3.4 Mơ hình tụ điện liên kết DC-link quán tính tua bin máy phát; Dtg hệ Mơ hình động học tụ điện DC-link số tắt dần khớp nối mềm hai khối mơ tả sau [2]: trục; Ktg độ cứng trục Các biến trạng thái liên quan đến động lực học xoắn ký Cv dv dc P P (12) dc r g dt hiệu Xt Mơ hình tua bin báo nghiên cứu loại hai khối Một hệ thống hai khối lượng sử dụng phổ biến biểu thị [8]: X t Δt , Δr , Tg T (7) 3.3 Mơ hình máy phát điện cảm ứng Phương trình điện áp phương trình từ thơng động cảm ứng hệ tọa độ quay d-q sau [9]: Pr vqriqr vdridr (13) Pg vqgiqg vdgidg (14) đó, Pr, Pg công suất hoạt động RSC GSC; vqr vdr tương ứng Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 11 điện áp RSC trục q trục d; vqg vdg điện áp GSC trục q trục d X n vcq , vcd ,i q ,i d 3.5 Mơ hình điều khiển RSC GSC Cả hai điều khiển RSC GSC mơ hình hóa Các vịng lặp điều khiển hiển thị Hình [2] Bài báo sử dụng tụ TCSC để giảm SSR cho hệ thống điện gió dựa DFIG TCSC bao gồm cuộn kháng điều khiển thyristor (TCR) song song với tụ điện cố định cho pha Cấu hình đơn giản TCSC trình bày Hình Wind speed Te MPPT Te-ref - irq K1 + irq-ref K1 sT1 - K2 + PI Qs-ref K3 - + Qs vrq K2 sT2 ird-ref PI K4 - + (16) ỨNG DỤNG TCSC ĐỂ GIẢM SSR XC PI K3 sT3 T vrd K4 sT4 T1 PI ird XL Hình Vịng lặp điều khiển RSC Vdc Vdc-ref - + - + Vsm Hình Cấu hình đơn giản TCSC igq K5 - K5 igq-ref + sT5 K6 PI Vsm-ref T2 K7 vgq PI K igq-ref + sT7 PI K6 sT6 K8 igd K8 sT8 Đối với cấu hình này, điện kháng TCSC tương đương tính theo phương trình sau [10]: vgd PI Hình Vịng lặp điều khiển GSC 3.6 Mơ hình đường dây có bù dọc e X c v v cq e 0 X c cq v tq E Bq 1 vcd RL d vcd e B iq B X L (15) XL XL dt iq v td E Bd R i 1 id e L d 0 XL XL XL đó, vcq vcd điện áp trục q trục d qua tụ điện, iq id dòng điện trục q trục d qua đường truyền, vtq vtd điện áp trục q trục d đầu cuối, EBq EBd điện áp trục q trục d bus nguồn vô hạn, 𝜔�B tốc độ (377 rad / s) 𝜔�e tốc độ hệ quy chiếu đồng (377 rad/s) Các biến trạng thái liên kết với mạng ký hiệu Xn và: X TCSC X C2 sin XC XC XL (17) 4X C2 cos k tan k tan XC XL k (18) đó, β góc dẫn thyristor (tính điện áp thuận trở thành 0), α góc kích thyristor Khi giá trị XC XL TCSC tính tốn, sơ đồ điều khiển dịng điện vịng kín sử dụng cho ứng dụng đề xuất Sơ đồ khối điều khiển TCSC mô tả Hình XC Iline T1 Pline XL T2 Pref αmax Pline 1 Ts Delay - + ΔP KP KI s abs PI Iline Firing Pulse Generator |u| Linearization αmin PLL Hình Cấu trúc điều khiển TCSC 12 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Mục tiêu điều khiển TCSC điều khiển dòng điện qua cuộn cảm cách điều chỉnh góc kích đặt vào thyristor, điều thay đổi chất dạng sóng giá trị trung bình dịng điện qua tụ điện nối tiếp kết điện áp thiết bị thay đổi Do đó, việc điều chỉnh góc kích α đóng vai trị quan trọng để kiểm sốt điện áp dịng điện TCSC, hay nói cách khác trở kháng hiệu dụng TCSC Dòng điện qua cuộn kháng điều khiển từ cực đại (khi thyristor chế độ dẫn hoàn toàn) đến không (khi thyristor chế độ chặn) cách thay đổi độ trễ α Vì dịng điện dây làm trễ pha so với điện áp tụ 90°, nên xung kích hoạt để dẫn tồn thyristor đặt đỉnh điện áp Bộ điều khiển TCSC dựa điều chỉnh PI Công suất đo đường dây so sánh với công suất tham chiếu điều khiển điều chỉnh PI Sau giới hạn, tín hiệu điều khiển phân cực hóa để tạo góc kích cung cấp mối quan hệ tuyến tính tín hiệu TCSC tín hiệu điều khiển Tín hiệu với tín hiệu dòng điện đường dây sau qua cố định pha PLL vào khối tạo xung để tạo xung kích cho thyristor 55% Hiệu suất hệ thống thể Hình Hình Trong trường hợp hệ thống khơng có TCSC (đường màu xanh), mô men điện, điện áp DFIG dao động độ lớn dao động tăng dần theo thời gian sau mức bù tăng lên đến 55% Trong trường hợp hệ thống có TCSC (đường màu đỏ), mơ men điện điện áp DFIG ổn định nhanh chóng vòng 0,5 giây, điều cho thấy khả tắt dần SSR TCSC cung cấp trường hợp tốt Hình Mơ men điện trường hợp bù 55% KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để xác minh tính hiệu TCSC việc giảm SSR, hệ thống nghiên cứu Hình mơ chương trình Matlab/Simulink Trong mơ phỏng, ban đầu mức bù đặt mức 50%, mức bù hệ thống ổn định, sau t = 5s, mức bù tăng lên 55%, 60%, 65%, 70% trường hợp Ở mức bù gây ổn định chế độ SSR tụ điện bù dọc Hình cho thấy hiệu suất động hệ thống bao gồm mô men điện Te, điện áp DFIG Như thấy kết bên dưới, TCSC ngăn chặn thành công chế độ SSR ổn định hệ thống điện gió 5.1 Trường hợp bù 55% Hệ thống chạy ổn định từ - 5s với mức bù 50% Sau giây, mức bù tăng lên Hình Điện áp trường hợp bù 55% 5.2 Trường hợp bù 60%, 65% 70% Kết mô ba cấp bù 60%, 65%, 70% thể từ Hình đến Hình 13 Tương tự trường hợp bù 55%, tăng cấp bù lên cao biên độ dao động mô men điện tăng cao nhanh (biên độ mô men điện giây thứ bốn cấp bù so sánh Bảng 1) Qua cho thấy cấp bù cao hệ thống ổn định gây nguy hại cho hệ thống điện Nhưng sử dụng TCSC dao động hệ thống dập tắt cách nhanh chóng Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 13 Bảng So sánh biên độ Te 9s Biên độ đỉnh – đỉnh Tem 9s Cấp bù 55% 60% 65% 70% Tem [pu] 1.7 1.95 3.2 5.2 Hình 11 Điện áp trường hợp bù 65% Hình Mơ men điện trường hợp bù 60% Hình 12 Mơ men điện trường hợp bù 70% Hình Điện áp trường hợp bù 60% Hình 13 Điện áp trường hợp bù 70% Hình 10 Mơ men điện trường hợp bù 65% KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu vấn đề SSR tiềm ẩn hệ thống điện gió DFIG kết nối với đường dây có tụ bù dọc Ứng thiết bị TCSC đưa vào hệ thống nghiên cứu để loại bỏ SSR Mô hệ ... định điện tần số dao động thấp tần số hệ thống hậu SSR, không ngăn chặn Trong báo này, TCSC sử dụng để giảm thiểu cộng hưởng đồng cho hệ thống điện gió DFIG Hiệu TCSC việc giảm thiểu SSR nghiên cứu. .. lưới điện IEEE FBM có tích hợp điện gió DFIG Hệ thống nghiên cứu dựa mơ hình chuẩn thứ IEEE cho nghiên cứu SSR thể hình 1, hệ thống điện gió dựa DFIG 100 MW kết nối với lưới 161 kV có bù dọc Hệ thống. .. độ dòng điện độ làm phá hủy trục tua bin máy phát điện gây thiệt hại lớn cho hệ thống điện 2.4 Các phương pháp nghiên cứu SSR Có nhiều phương pháp để nghiên cứu cộng hưởng đồng hệ thống điện Các